卓為頂 劉 釗

（1.南京潤華市政建設有限公司，南京211100；2.東南大學土木工程學院，南京210096）

南京小龍灣自錨式懸索橋主纜施工關鍵技術

卓為頂1，*劉 釗2

（1.南京潤華市政建設有限公司，南京211100；2.東南大學土木工程學院，南京210096）

主纜索股安裝及線形控制是自錨式懸索橋施工中的關鍵技術，結合南京小龍灣自錨式懸索橋展開研究。提出以“梁平塔直”為自錨式懸索橋的控制目標，采用倒拆與正裝迭代兩種算法，得到主纜的成橋線形、空纜線形、無應力長度和索鞍預偏量等；分析了主纜鼓絲的根源；通過對空纜安裝線形進行精確控制，經(jīng)過吊桿分輪張拉和索鞍頂推，使主纜成橋線形滿足設計要求，并使主塔和主梁的受力合理，可為同類自錨式懸索橋施工提供參考。

自錨式，懸索橋，主纜架設，主纜線形，施工控制

1 概 述

自錨式懸索橋是將主纜錨固在主梁兩端，并依靠主梁承擔主纜水平分力的一種自平衡懸索橋［1］。南京小龍灣懸索橋位于江寧區(qū)跨越秦淮河，主橋為雙塔雙索面自錨式懸索橋，設計荷載標準為公路I級。主梁采用現(xiàn)澆預應力混凝土箱梁結構，跨徑組合為44＋96＋44＝184 m，橋面寬34.5 m，橋塔總高為35.4 m，橋面以上塔高22.6 m。

主纜成橋線形為懸鏈線，中跨垂跨比為1／5.5，邊跨垂跨比為1／14.8，兩主纜纜心橫向間距為18 m，每根主纜由37股預制平行（PPWS）鋼絲成品索組成，如圖2所示。每股成品索由91絲φ5.1 mm的鋼絲組成，主纜外徑330 mm，標準強度fpk＝1670 MPa。主纜在架設時豎向排列成尖頂?shù)慕普呅危o纜后主纜為圓形，索股錨頭采用熱鑄錨，吊桿間距5 m。

圖1 小龍灣自錨式懸索橋布置 （單位：cm）Fig.1 Layout of Xiaolongwan self-anchored suspension bridge（Unit：cm）

圖2 主纜索股的排列及編號Fig.2 Layout and number ofmain cable strands

2 成橋及空纜階段主纜線形分析

2.1 全橋模型的建立

采用Midas／Civil有限元分析軟件建立三維空間模型，考慮了主纜和吊索初應力剛度的影響，建立自錨式懸索橋的成橋模型。結構劃分為367個空間單元，由于箱梁的自由扭轉剛度與豎向、橫向彎曲剛度相比相差不大，建模時采用接近結構特征的“雙梁式”模型，兩個單箱三室箱梁簡化為穿過截面形心的單梁，雙梁之間由等效橫梁聯(lián)系；主塔以底端固結于基底的三維門式框架模擬。模型中塔、主梁和橫梁采用梁單元，主纜、吊桿采用索單元。主塔和主梁由支座連接。

圖3 全橋空間有限元模型Fig.3 Spatial finite elementmodel for whole bridge

2.2 成橋狀態(tài)主纜線形

自錨式懸索橋的成橋線形對應一種空纜線形，而空纜線形是推算各施工階段纜索線形的基礎［2-4］。在確定主纜成橋線形時，本文以“梁平塔直”為目標，確定了合理的成橋狀態(tài)。所謂“塔直”，就是要使主纜在塔頂?shù)乃椒至χ挖呌诹?；所謂“梁平”，就是要求主梁在吊桿力和梁體縱向預應力共同作用下梁的豎向位移與設計值相差最小，并且同側相鄰吊桿內力相差較小，保證橋面縱向線形平順。

具體過程為：

（1）建立全橋幾何模型，以主纜成橋線形為目標狀態(tài)，并使主纜在塔頂無水平約束，即可保證“塔直”；

（2）賦予結構自重，進行結構分析，得到主纜和吊桿受力后的長度；

（3）通過迭代確定吊桿和主纜的無應力長度，使得結構自重下的主纜線形與原線形不發(fā)生改變；

（4）用吊桿和主纜的無應力長度（初始內力）建模，檢驗成橋狀態(tài)的初始幾何模型，若同側相鄰吊桿張力差小于5%設計值，同時左右吊桿張力差小于3%設計值，且與設計張力誤差小于10%［5］，則認為達到“梁平”的要求。

根據(jù)上述原理，通過有限元分析實現(xiàn)施工過程的模擬仿真，表1給出了成橋狀態(tài)主纜纜心標高設計值，及完工后的主纜實測成橋線形控制點高程，表中吊桿編號見圖1（a）。

由表1可知，在成橋狀態(tài)下，中跨主纜跨中（17號吊桿處）實測高程與設計值最大相差4 mm，滿足索股跨中為±L／200 00（L為跨徑）的精度要求。

2.3 空纜狀態(tài)主纜線形

2.3.1空纜線形的確定

在已知成橋目標狀態(tài)后，按照實際施工步驟進行逆向倒拆，分析得到空纜狀態(tài)［3］。對空纜各吊點施加成橋吊索力，正裝計算得到主纜各吊點的成橋坐標。

為驗算空纜線形的準確性，在Midas／Civil模型中輸入由解析公式計算得出的主纜索力值及吊點坐標，再對修正模型進行正裝分析，計算結果與目標成橋線形吻合。

根據(jù)目標成橋狀態(tài)以及現(xiàn)場實測的后錨點、散索點、主索鞍底座中心等信息，計算出主纜索股在標準溫度（20℃）下空纜架設線形，如表2所示。

表1 成橋狀態(tài)下的中心索股（19號）纜心標高Table 1 Elevation of central strand（No.19）when bridge com pleted

表2 空纜狀態(tài)下北側基準索股（1號）底面高程Table 2Bottom elevation of north-side base strand（No.1）under free-hanging status

2.3.2溫度對主纜索股高程的敏感性分析

在本橋空纜架設施工中，考慮到環(huán)境溫度會改變主纜索股的長度，由此引起各跨垂度的變化，進而會影響到主纜索股的架設線形?，F(xiàn)選取邊跨4＃吊桿處節(jié)點，中跨跨中17號吊桿處節(jié)點，考察溫度變化對這些點的豎向位移影響。從圖4可以看出，當溫度升高時，主纜中跨跨中下垂，邊跨跨中抬高，變化值與溫度基本呈線性關系。在20℃±10℃時，主纜垂度變化在2 mm范圍內。

圖4 溫度變化對主纜垂度的影響Fig.4 Variation ofmain cable sag due to temperature

2.4 主纜無應力長度的確定

主纜無應力索長為成橋狀態(tài)有應力索長扣除各項變形后的長度。對于有應力索長，基于成橋狀態(tài)主纜線形和主纜內力，采用先分段再求和的過程進行計算［6］（圖5）。

考慮錨點、鞍點及吊點等特征位置，索股總無應力長度（含錨杯）：

式中，Lx為后錨面至索股錨杯末長度（本橋取46 cm）；L0為索股兩端后錨面之間的無應力長度；L1為后錨面至散索點的無應力長度（散索點標記點）；L2為散索點至邊跨跨中點的無應力長度（邊跨跨中點標記點）；L3為邊跨跨中點至主塔鞍座頂點的無應力長度（主鞍座頂點標記點）；L4為主塔鞍座頂點至主跨跨中點的無應力長度（主跨跨中點標記點）。

圖5 主纜索股無應力長度計算圖（單位：mm）Fig.5 Measurement of unstressed length ofmain cable（Unit：mm）

在主纜經(jīng)過鞍座時，此段主纜下層索股與主鞍座弧形面貼合，故需對各索股長度進行修正。一般以主纜的中心索股（即19號索股）為長度基準，通過對其他索股的相對位置偏移，得到各索股的有應力長度，經(jīng)換算得出各索股的無應力下料長度，見表3。對主鞍進行預偏。在計算預偏量時，通過對成橋模型倒拆分析，得到空纜理論交點（IP點）對應的里程，由于空纜理論交點不一定位于主索鞍的正上方，成橋狀態(tài)與空纜狀態(tài)的鞍點位置里程差，即為主鞍座的預偏量［3，6，7］。經(jīng)計算，本橋主鞍座需向邊跨方向預偏15 cm。

3 主纜架設控制技術

表3 主纜索股無應力長度Table 3 Unstressed length of each cable strand

由表3可知，底端1號索股與芯股相差－0.396 m，頂端37號索股與芯股相差0.568 m，1號與37號索股長度相差近1 m，說明主纜中各索股的無應力長度是不相等的，這主要是索鞍處的彎折造成的。

同理，索股中每根鋼絲的無應力長度也不相等，而實際索股加工時，各絲長度是相等的。從理論上講，主纜在安裝及緊纜時，均會不可避免地產(chǎn)生鼓絲現(xiàn)象。對于大跨度懸索橋，索鞍處彎折造成的鋼絲長度差異，可沿較長主纜分攤，鼓絲現(xiàn)象不明顯；而對于跨度較小的懸索橋，因主纜長度較小，鼓絲現(xiàn)象往往比較明顯。

2.5 鞍座預偏量計算

為消除主纜在塔頂兩側的不平衡水平力，需

3.1 貓道設計

貓道是主纜架設的重要作業(yè)平臺，主要由承重索、貓道面層、欄桿、扶手、滾輪等組成。貓道施工主要包括：貓道面網(wǎng)鋪設、貓道掛設、貓道垂度調整等步驟。貓道面在中跨處低于主纜中心1.2 m，邊跨處低于主纜中心線1.4 m。在綜合考慮主纜直徑、邊跨主纜間距、緊纜機和纏絲機最小工作空間的基礎上，貓道面層的寬度設計為2.8 m。

3.2 主纜架設步驟

主纜安裝施工主要包括塔頂門架搭設、安裝索鞍及散索鞍、索鞍預設預偏量及臨時固定、貓道安裝、鋪設滾輪、放索架就位、布置索股牽引系統(tǒng)、索股牽引、兩端錨固、整形入鞍、調整索股線形、預緊纜、安裝索夾、吊索安裝及張拉、正式緊纜等。

3.3 調整索股線形

1）索股線形調整的標準

白天架設的索股，用溫度計進行索股外界氣溫和索溫度的測量，一般在溫度穩(wěn)定的夜間進行垂度調整。調整索股垂度時的溫度穩(wěn)定條件為：長度方向索股的溫差△t1≤2°C；橫截面索股的溫差為△t2≤1℃，不具備以上條件時，等待條件成熟時再進行。

2）基準索股的絕對垂度調整

以首根索股（1號）為基準索股，其他索股施工的線形控制均參照基準索股。采用三角高程測量法控制基準索股的絕對標高，基準索股的絕對垂度調整，在對跨長、外界氣溫、索股溫度測定后進行。根據(jù)測量結果，計算出索股絕對垂度調整值。垂度調整的順序是先中跨、再邊跨。

3）一般索股的相對垂度調整

一般索股是指非基準索股（本橋為2號至37號），其垂度調整以基準索股為參照。索股的單次調整量不宜過大，以防被調整索股壓在下面的索股上，如果壓在基準索股上，基準索股的垂度就失常，因此，相對垂度的調整，要使各索股之間在若即若離的狀態(tài)下進行。相對垂度調整可用手拉葫蘆或者小型張拉機具進行。

4）垂度調整量的控制

索股垂度調整時，都是采用預拉高一定距離，緩緩下放到設計位置的方法進行，根據(jù)主纜索股在設計理論線形下索股跨中標高變化與下放索股長度對應值的關系，再以溫度影響進行修正計算，使調整索股由高到低步步逼近設計位置。

5）垂度調整精度

基準索股的精度要求，中跨跨中為±5 mm，邊跨跨中±10 mm；上下游基準索股高差±10 mm；一般索股相對于基準索股偏差為－5 mm，＋10 mm。

3.4 吊桿分輪張拉和索鞍頂推

為兼顧施工過程結構受力的合理性，以及成橋狀態(tài)的“梁平塔直”控制目標，對吊桿分4次進行張拉，對索鞍分3次頂推復位。

3.5 施工階段主纜索股內力變化

為保證成橋狀態(tài)主纜內力達到設計值，監(jiān)測施工過程主纜內力變化十分重要［8］。本橋在中心索股安裝時，在其錨固端安裝了壓力環(huán)，各關鍵施工階段的主纜內力變化情況，見圖6。

圖6 各施工階段主纜內力變化情況Fig.6 Variation ofmain cable force for each erection procedure

3.6 施工階段主塔和主梁的應力變化

在纜索安裝施工過程中，對主塔和主梁的應力、應變，進行了全程監(jiān)測，主塔根部的壓應力在1.6～4.4 MPa之間，主梁最大的壓應力為10.3 MPa，最大的拉應力為0.3 MPa，與有限元模擬的各階段應力吻合較好，且保證了主塔和主梁在施工過程中混凝土不受拉開裂。

通過對主塔的模擬分析，若主塔縱橋向位移達到9 cm時，主塔變截面處混凝土將會開裂?？紤]施工過程中的各種不利因素，為保證主塔受力合理，故將塔頂中心偏位控制值確定為3 cm。

4 結 論

（1）在確定成橋及空纜狀態(tài)下的主纜線形時，以“梁平塔直”為控制目標。采用倒拆與正裝迭代兩種分析方法，研究了主纜的成橋線形、空纜線形、主纜無應力長度和索鞍預偏量等，為主纜安裝施工提供依據(jù)。

（2）通過主纜無應力長度分析表明，索鞍處的索股彎折會造成索股中每根鋼絲的無應力長度不相等，而實際索股加工時，各絲長度是相等的。對于大跨度懸索橋，較長主纜可分攤鋼絲的長度差異，鼓絲現(xiàn)象不明顯；而對于跨度較小的懸索橋，因主纜長度較小，鼓絲現(xiàn)象往往比較明顯。

（3）在小龍灣自錨式懸索橋主纜架設施工中，通過貓道鋪設、主纜索股架設和索股線形調整，達到對空纜安裝線形的精確控制；經(jīng)過吊桿的分次張拉和索鞍頂推，最終形成的主纜線形滿足成橋設計線形要求，并使塔梁處于合理的受力狀態(tài)。

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Key Techniques of M ain Cable Installation of Nanjing Xiaolongwan Self-Anchored Suspension Bridge

ZHUOWeiding1，*LIU Zhao2
（1.Nanjing Runhua Municipal Construction Co.，Ltd，Nanjing 211100，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Main cable installation and its alignment control are themost important procedures during the erection of self-anchored suspension bridges.An investigation into the key issues of the procedures has been carried out in this paper，taking the Nanjing Xiaolongwan self-anchored suspension bridge as a study case.The proposed control objective is aimed at“l(fā)eveling the box girder and straightening the tower”.The backward and the forward iteratives are carried out in order to obtain the cable configuration at completion，cable configuration at free-hanging，the cable unstressed length and saddle offset displacement，etc.Themain reason for cable wire bulge has been identified.By precisely controlling the cable configuration at free-hanging，and tensioning the hangers and pushing the saddles into its final position stepwisely，themain cable configuration reaches its designated precision.And the stresses of themain tower and girder falls into a rational range.This paper will be informative for cable erection of self-anchored suspension bridges.

self-anchored，suspension bridge，cable Installation，cable alignment，construction control

2013－08－10

*聯(lián)系作者，Email：hyx11183＠126.com