新型双索万向连接装置研究

李拔周，郗永磊

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040； 2.中交二航局第二工程有限公司，重庆 404100)

目前，大多数斜拉桥斜拉索在主梁纵向上的分布如图1所示，斜拉索在主梁节段上有一个相对固定的交点，斜拉索除在纵桥向外，在主梁横桥向可能有角度的变化，但锚固点相对于节段分段缝距离相对固定。

图1 斜拉索在主梁纵向的分布示意

因斜拉索在主梁上有固定交点，不同节段的斜拉索可看作某根斜拉索绕该固定交点旋转一定角度而成，因此，一般将施工挂篮主纵梁头部牵索位置设计为一个以该固定交点为圆心且带槽的弧形结构。通过张拉垫块在滑槽内的滑动调整斜拉索纵桥向的位置和角度，斜拉索张拉时不会产生附件弯矩，横桥向无角度变化的牵索装置如图2所示。

图2 横桥向无角度变化的牵索装置

当斜拉索在横桥向有角度变化时，多通过在张拉垫块上设置球形垫块来调整横桥向的角度，如图3所示。

图3 横桥向有角度变化的牵索装置

对于有固定交点的单索面主梁施工，当两索间距较小时，一般采用在1根主纵梁的弧形头部设置2个张拉槽口，在槽口内设置张拉装置(见图4)。

图4 有固定交点的单索面牵索装置

综上所述，对于斜拉索在主梁纵向有固定交点的施工挂篮牵索装置目前已有较多的成功案例，技术较成熟。但对于斜拉索在主梁纵向无固定交点的牵索装置，若挂篮主纵梁头部仍设计成带槽的弧形结构，斜拉索张拉时会产生较大附加弯矩，且易使张拉垫块产生沿弧面切线的分力，不利于结构受力安全。尤其是对于单索面且斜拉索横桥向有角度变化的斜拉桥，因双索间距相对较大，无法在1根主纵梁上设置牵索装置。因此，本文主要研究能满足单索面在主梁纵向无固定交点的斜拉桥施工的牵索装置。

1 工程概况

梅州广州大桥上部结构采用预应力混凝土箱形主梁，主桥标准横断面近似三角形，主梁顶板全宽33.5m，底宽4.5m，悬臂长4.75m，梁高3.6m，斜拉索间距2.3m，箱梁纵向分段长度为6m。主跨主桥采用挂篮悬臂浇筑法施工，挂篮悬浇梁段混凝土重400t，挂篮施工期间最大索力值2 750kN，主梁分段与横断面如图5所示。由图5可看出，该桥主梁属于典型的单索面大挑臂结构，具有以下特点：①斜拉索在主梁纵向无固定交点；②两索横桥向间距相对较大，且有横桥向角度的变化。

图5 梅州广州大桥主梁分段与横断面

本文依托该工程进行满足以上特点主梁施工的新型牵索装置研究。

2 挂篮总体构造

牵索装置的构造与挂篮总体结构尤其承载平台结构有密切关系，挂篮总体结构如图6所示。挂篮总体自主梁分为上、下两部分，上部主桁结构由4组三角架组成，下部承载平台由箱梁和桁架组成。

图6 挂篮总体结构

为了完成空篮行走任务，挂篮自重必须由主梁相对较强的部位承受，内侧主桁为挂篮前移提供前吊点，其前支点作用在主梁纵向的腹板处，后锚点锚固于主梁的横隔板处，保证前吊点的受力安全。

承载平台采用箱梁和桁架组合结构，结构形式新颖，简洁合理，既满足了挂篮整体刚度的要求，又有效减小了自重，节约了成本，方便了施工控制。

主纵梁两侧布置了2根次纵梁，一方面作为挂篮行走的滑梁，另一方面在次纵梁前端设置了吊点，保证了承载平台浇筑混凝土时横桥向的稳定性。

挂篮总体设计为下部承载平台和上部行走主桁结构，共同组成挂篮浇筑混凝土和行走两大受力系统，分工清楚，受力明确，结构简单，很好地实现了桥梁设计要求前支点施工的理念。

3 牵索装置构造

牵索装置连接承载平台主纵梁与塔端锚固点。承载平台是挂篮支承悬浇荷载及模板体系的主体结构，为加强结构刚度并减小自重，结构主体采用2根主纵梁(箱梁)和桁架的组合结构。斜拉索在主梁上锚固点间距较大，因此利用2根主纵梁头部之间的空间设置牵索装置，如图7所示。

图7 承载平台结构

承载平台两主纵梁之间的距离为4.6m，因斜拉索在主梁纵向无固定交点，为了防止斜拉索张拉时产生附加弯矩和张拉垫块产生沿弧面切线的分力，将主纵梁头部由通常的弧面改为斜面，使斜拉索张拉时沿斜面和垂直斜面的受力明确。

牵索装置主要由前支点调整装置、张拉分配梁、张拉杆及斜拉索锚具组成，如图8所示。

图8 牵索装置总体结构

前支点调节支座可沿主纵梁头部设定的滑槽滑动，从而调整斜拉索纵向位置，调整到位后通过精轧螺纹钢筋锁定，斜拉索张拉时产生的沿斜面的分力也由精轧螺纹钢筋克服。前支点调节支座与张拉分配梁之间用销轴连接，张拉分配梁绕前支点调节支座的转动可调整斜拉索纵桥向的角度。张拉分配梁上设有2个柱面滑槽，滑块与张拉分配梁为柱面接触，滑块通过在分配梁上的柱面滑槽内滑动，调整斜拉索在横桥向的位置和角度。张拉千斤顶通过撑脚固定在滑块上，通过张拉张拉杆实现与承载平台头部连接形成挂篮前支点，施工完成后通过张拉千斤顶张拉卸载，实现体系转换。该牵索装置以主纵梁头部斜面为受力支点，并将张拉分配梁和前支点调节支座处理为销轴连接形式，保证通过前支点调节支座将斜拉索的索力垂直斜面传递，沿斜面的分力由精轧螺纹钢筋克服，改善了主纵梁头部的受力，同时可有效防止张拉杆偏心受力，保证了施工安全。张拉分配梁与滑块的柱面连接可有效解决斜拉索横桥向角度和位置的调整。该套牵索装置结构受力清晰，具有较强的通用性。

4 计算

牵索装置采用大型有限元软件ANSYS进行整体有限元建模计算，主要采用shell63单元建模。计算荷载按斜拉索进行体系转换时需拉的最大索力考虑，张拉分配梁的材质为Q345B。张拉分配梁的计算模型如图9所示。

图9 张拉分配梁的计算模型

张拉分配梁的主要计算结果如图10所示。

图10 张拉分配梁的应力与变形云图

通过计算，张拉分配梁在斜拉索体系转换时的最大应力为178.4MPa<[σ]，最大竖向变形27.5mm，强度、刚度满足规范要求。这说明该套张拉装置具有良好的适应和传力性能。

5 结语

采用该套双索万向连接装置有效适应了斜拉索在空间上的角度变化，保证了施工挂篮结构的安全受力，优质、高效地完成了梅州广州大桥主梁的施工任务，对后续同类型大桥施工具有较强适应性。