程儉廷，張俊平，張力文

(1.廣州誠(chéng)安路橋檢測(cè)有限公司，廣東廣州 510420;2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006;3.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

由于自錨式懸索橋施工方法的特殊性，在施工過程中，吊索張拉的順序、索力的大小決定了成橋后的主纜線形和結(jié)構(gòu)受力。因此，為了保證施工期間結(jié)構(gòu)安全、能達(dá)到合理的成橋狀態(tài)，需要制定正確的吊索張拉等級(jí)和張拉順序。獵德大橋是一座空間非對(duì)稱獨(dú)塔自錨式懸索橋，其吊索張拉方法不同于以往研究的傳統(tǒng)自錨式懸索橋［1-5］，具有特殊性。為此，本文以獵德大橋?yàn)橐劳校瑢?duì)該橋型的吊索張拉等級(jí)、張拉順序進(jìn)行研究，找出適用于該橋型吊索張拉施工方法。

1 研究背景

獵德大橋跨徑為(47+167+219+47)m，主纜和吊索均為空間布置。加勁梁左邊跨和主跨采用單箱三室流線形扁平鋼箱梁;錨固跨為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(C50)。主塔采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(C50)。整個(gè)吊索張拉過程通過ANSYS進(jìn)行仿真分析。主纜與吊索采用Link10單元(拉單元)，加勁梁與主塔采用Beam4單元，支撐結(jié)構(gòu)采用Link10單元(壓?jiǎn)卧?。建模時(shí)，將加勁梁材料統(tǒng)一等效為鋼結(jié)構(gòu)。邊墩處約束主梁的豎向自由度和扭轉(zhuǎn)自由度;主橋和引橋交接處約束豎向自由度、橫向自由度以及扭轉(zhuǎn)自由度;索塔和鋼箱梁的交界處設(shè)置橫向支座。圖1是結(jié)構(gòu)立面及平面圖，圖2為有限元模型。

2 吊索張拉工況

2.1 張拉等級(jí)

自錨式懸索橋在吊索張拉中一般采用逐步分等級(jí)張拉吊索迫近成橋索力，由此，梁體在張拉中何時(shí)脫模的問題是值得探討的問題。吊索合理張拉狀態(tài)的確定原則是:既要避免由于張拉力過大而出現(xiàn)大應(yīng)力、大位移的情況;又要避免由于張拉力過小而帶來不必要的張拉輪次和施工工時(shí)增多。對(duì)于吊索張拉力而言，在所建的自錨式懸索橋?qū)嶋H工程中，大致有以下3種方法［4，6］:

1)將脫模前理想吊索力P分級(jí)張拉，共分為5級(jí)，分別為 0.2P，0.4P，0.6P，0.8P 和 1.0P。在前 3級(jí)(0.2P，0.4P，0.6P)執(zhí)行全橋張拉工序，在第4級(jí)和第5級(jí)(即0.8P和1.0P)執(zhí)行中跨張拉工序。此后，還會(huì)對(duì)吊索執(zhí)行幾次張拉，這是對(duì)吊索的補(bǔ)張拉過程，以調(diào)整張拉力的合理狀態(tài)。

2)完成了吊索安裝的第一遍張拉，可稱之為“安裝張拉”。張拉力大約為理想吊索力P的1/4。安裝張拉結(jié)束時(shí)，并非全部吊索都已經(jīng)受拉。逐漸對(duì)吊索實(shí)行P/4，P/2，3P/4及P等四階段的張拉。

3)確定30%理想索力狀態(tài)、60%理想索力狀態(tài)和100%的理想索力。

綜合以上的吊索張拉力的分級(jí)情況，結(jié)合本文研究?jī)?nèi)容，擬定以30%理想索力狀態(tài)、60%理想索力狀態(tài)和100%的理想索力，共三階段進(jìn)行張拉。

正裝分析模擬吊索施工的思路:以主纜空纜狀態(tài)為起始狀態(tài)，在吊索的下錨固點(diǎn)分批次施加等同于30%加勁梁恒載作用的節(jié)點(diǎn)荷載，并給主纜和吊索單元賦初應(yīng)變值模擬結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力剛度，打開程序應(yīng)力剛化效應(yīng)和大位移控制開關(guān)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力和位移變化情況，并以這個(gè)狀態(tài)下吊索的內(nèi)力值作為該理想狀態(tài)下吊索張拉控制值和后繼計(jì)算的初始狀態(tài)。具體索力見表1。

圖1 結(jié)構(gòu)立面及平面圖(單位:m)

圖2 有限元模型

2.2 張拉順序

對(duì)于一般的雙塔三跨自錨式懸索橋，最常用的做法都是先從主塔開始張拉，因?yàn)榭梢詼p少接長(zhǎng)桿的數(shù)量，而且在張拉過程中，對(duì)主纜的影響較少。較短的吊索索力較小，放在較后張拉，可以減少前面張拉對(duì)其的影響，并最終減少?gòu)埨螖?shù)。另外在張拉中都采用對(duì)稱張拉，以保證整個(gè)自平衡結(jié)果的穩(wěn)定性。主要張拉順序有:

1)從跨中向兩邊張拉吊索，到一定階段后邊跨從錨固處張拉。

2)從跨中1/4及3/4處分別向主塔和跨中張拉，邊跨也從跨中開始向主塔及錨固處張拉。

3)從兩主塔處開始向主跨跨中張拉，邊跨部分則向錨固處張拉。

4)從主塔同時(shí)向主、邊跨開始張拉。

考慮到獵德大橋的獨(dú)塔結(jié)構(gòu)和在跨度上的不對(duì)稱性，為保證整個(gè)橋體的穩(wěn)定安全，擬定了2種張拉方案:①方案1是從塔處開始，向主跨梁端張拉13#，14#，15#，16#共 4對(duì)吊索;然后依次張拉主、邊跨余下吊索，張拉次序?yàn)?12#，17#，11#，18#，…，直到最后張拉28#吊索。②方案2是先對(duì)13#～16#吊索進(jìn)行張拉后，同時(shí)對(duì)主、邊跨的吊索對(duì)稱張拉，即12#和17#吊索同時(shí)張拉，其余相同。

表1 張拉階段索力值 ×105N

全橋張拉完后對(duì)沒有達(dá)到預(yù)定索力的吊索再進(jìn)行第二次張拉。張拉控制的標(biāo)準(zhǔn)是張拉的強(qiáng)度應(yīng)保證安全系數(shù)不少于2，安裝后的吊索長(zhǎng)度不短于成橋時(shí)需要的吊索長(zhǎng)度。在吊索張拉過程中，要對(duì)吊索進(jìn)行臨時(shí)接長(zhǎng)。具體張拉順序見表2。對(duì)于每階段的張拉力，由于篇幅原因不再詳述。

表2 張拉順序方案

3 結(jié)果分析

3.1 張拉等級(jí)分析

圖3和圖4分別是各個(gè)張拉階段下，主纜的位移變化和加勁梁的彎矩變化。

圖3 主纜位移變化

圖4 加勁梁彎矩變化

由上可以看出，在不同的索力張拉等級(jí)下，主纜的非線性較為明顯，但加勁梁相對(duì)呈現(xiàn)線性的狀態(tài)。通過索力的不斷增大，基本可以達(dá)到一期恒載的理想索力。在吊索索力整體提升的情況下，索塔彎矩相對(duì)較小，因此同時(shí)張拉多對(duì)吊索對(duì)索塔的彎矩的減小是有幫助的。但由于各吊索是同時(shí)增加，還不能看出吊索的張拉對(duì)相鄰索力的影響，這點(diǎn)在下一節(jié)的張拉順序分析中會(huì)做進(jìn)一步的探討。

3.2 張拉順序分析

在張拉順序分析中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩種不同的張拉順序，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了不同的受力響應(yīng)。在方案1中:

1)吊索出現(xiàn)了松弛，甚至零拉力的現(xiàn)象。例如22#吊索(圖5)，在33～36張拉步驟時(shí)，索力均為零值。

圖5 22#吊索索力變化

2)索塔底部以及索塔處的加勁梁則存在很大的彎矩。例如，在張拉13#吊索時(shí)，索塔底部彎矩達(dá)到5.89×106N·m，加勁梁跨中彎矩達(dá)到2.11×107N·m;在張拉16#吊索時(shí)，索塔底部彎矩達(dá)到1.12×107N·m，加勁梁跨中彎矩達(dá)到1.89×107N·m;在張拉7#吊索時(shí)，索塔底部彎矩達(dá)到0.99×107N·m，加勁梁跨中彎矩達(dá)到1.91×107N·m;在張拉22#吊索時(shí)，索塔底部彎矩達(dá)到1.32×107N·m，加勁梁跨中彎矩達(dá)到1.76×107N·m。

3)索塔左右索力呈現(xiàn)出非對(duì)稱性。例如張拉3#吊索(圖6)，在索塔左右相對(duì)位置的吊索索力相差較大，這會(huì)使主纜左右兩跨產(chǎn)生不平衡的水平力，對(duì)橋塔受力非常不利。

圖6 張拉3#吊索時(shí)各索索力

而對(duì)于按方案2的順序進(jìn)行張拉時(shí)，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出了較合理的受力響應(yīng)。在拉索松弛、索塔和主梁彎矩、索力的均勻性以及主纜位移方面有了很大改善。例如:第22#索在各張拉階段下未出現(xiàn)吊索松弛，索力為零的現(xiàn)象(圖7);張拉3#，26#吊索時(shí)(圖8)，各索索力分布比較對(duì)稱、均勻;索塔處加勁梁的彎矩大大減小，約比初期方案減小了30%(圖9);主纜的變形較為平滑，且變形量較小(圖10)。

另外，在分析過程中還發(fā)現(xiàn)主纜位移的弱相干性和吊索索力的相鄰影響性［7］除了在張拉初期外，基本沒有體現(xiàn)出來。

例如，在張拉完12#吊索(方案1)，再?gòu)埨?7#吊索時(shí)，12#吊索索力明顯增大(圖11，圖12)。其它吊索亦存在此類現(xiàn)象。這說明，吊索的張拉不僅對(duì)鄰近的吊索產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)，由于張拉沒有在主邊跨上同時(shí)進(jìn)行，在張拉吊索時(shí)，還會(huì)對(duì)另外一跨的吊索存在影響。而且隨著張拉的不斷進(jìn)行，單根吊索的張拉所影響的吊索范圍更加大。

而在張拉第一根13#索時(shí)，主跨的主纜變形為30.5 cm，在邊跨的大部分吊點(diǎn)均有較小的向上變形;但在張拉16#索時(shí)，主纜最大變形為45.2 cm，在其它吊點(diǎn)的變形同樣較大，吊點(diǎn)位移的相鄰影響同樣不成立。

圖7 22#吊索索力變化

圖8 張拉3#，26#吊索時(shí)各索索力

圖9 優(yōu)化前后索塔勃對(duì)比

圖10 主纜位移

圖11 張拉12#吊索其它吊索索力變化

圖12 張拉17#吊索其它吊索索力變化

4 結(jié)論

1)通過張拉等級(jí)分析，可知所得吊索索力基本使加勁梁的彎矩變化在一個(gè)較小的范圍。在這種情況下，由于大部分吊索都是同時(shí)成對(duì)進(jìn)行索力提高，索塔的彎矩變化和大小都較小，因此對(duì)稱張拉吊索可以減少頂推的距離和次數(shù)。

2)對(duì)于該類橋型在施工張拉機(jī)具允許的情況下，應(yīng)盡可能采用從主塔開始對(duì)稱同步張拉。這樣不但可以減少不平衡力對(duì)自平衡體系的影響，同時(shí)加快施工進(jìn)度，減小接長(zhǎng)桿的數(shù)量或長(zhǎng)度，削弱吊索索力的松弛現(xiàn)象，減少頂推索鞍的次數(shù)和距離。

3)主纜位移的弱相干性和吊索索力的相鄰影響性不合理。自錨式懸索橋的吊索在張拉的時(shí)候，相鄰吊索、非相鄰吊索以及不同跨吊索之間的索力相互影響，部分吊索在其他吊索張拉的情況下，松弛現(xiàn)象突出。主纜在張拉時(shí)相鄰吊點(diǎn)之間的變形互相影響，且影響存在非線性。

［1］楊俊，沈成武．基于影響矩陣法的自錨式懸索橋施工張拉力確定［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2009，33(3):588-591．

［2］金清平，陳長(zhǎng)明．自錨式懸索橋吊索張拉施工分析［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(10):77-80．

［3］宋旭明，戴公連．自錨式懸索橋主纜線形計(jì)算方法及施工過程分析［J］．中外公路，2009，29(6):135-140．

［4］金清平．自錨式懸索橋吊索施工張拉合理狀態(tài)的確定［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2005．

［5］邱建冬．自錨式懸索橋吊索張拉優(yōu)化控制分析［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2010．

［6］肖海波．自錨式懸索橋的力學(xué)特性分析［D］．杭州:浙江大學(xué)，2004．

［7］張哲．混凝土自錨式懸索橋［M］．北京:人民交通出版社，2005．