黃少華，魏家樂

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100) (2.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710100)

自錨式懸索橋主纜直接錨固在主梁上，由于主纜的水平分力由主梁直接承受，因此主梁必須先于主纜施工。主梁的施工方法一般有支架架設(shè)法、節(jié)段吊裝法、頂推架設(shè)法和斜拉扣掛法等[1]。在梁、纜施工完成后，再進行自錨式懸索橋最關(guān)鍵的步驟——吊索張拉，從而完成體系轉(zhuǎn)換。該體系轉(zhuǎn)換復雜，施工難度較大。

在自錨式懸索橋吊索張拉的體系轉(zhuǎn)換過程中，各種非線性問題突出[2]，在一定的張拉設(shè)備下如何用盡量少的吊索張拉次數(shù)使最終索力達到設(shè)計值是一道難題，因此應對吊索張拉過程中主纜的大位移非線性、吊索索力的相干性、索塔的變位和受力、加勁梁的變形和受力、永久和臨時支點的反力變化等結(jié)構(gòu)響應進行分析研究。

1 工程背景及有限元模型的建立

青島海灣大橋大沽河航道橋結(jié)構(gòu)型式為獨塔空間索面自錨式懸索橋，跨徑布置為80m+190m+260m+80m[3]。該橋采用四跨連續(xù)半漂浮體系，主跨及邊跨均為懸吊結(jié)構(gòu)。主纜邊跨矢跨比為1/18.04，主跨矢跨比為1/12.53。主纜為兩根空間纜，橫橋向間距在塔頂處為2.5m，在邊跨側(cè)后錨面為7.8m，在主跨側(cè)后錨面為6.5m。邊跨及主跨均設(shè)置吊索，名義水平間距為12.0m。邊跨有12對吊索，主跨有17對吊索，從青島側(cè)向黃島側(cè)編號依次為B1～B12、Z1～Z17。

運用空間有限元程序MIDAS/Civil建立大沽河航道橋模型并進行結(jié)構(gòu)分析，模型包含索塔、加勁梁、主纜和吊索等，其結(jié)構(gòu)離散圖如圖1所示。模型中索塔和加勁梁采用梁單元模擬，主纜和吊索采用只受拉索單元模擬，支架采用彈簧單元模擬，壓重采用集中荷載進行模擬。

圖1 結(jié)構(gòu)離散圖

2 吊索張拉特點及張拉方案

與地錨式懸索橋先架設(shè)主纜后逐段拼裝主梁的施工方式不同，自錨式懸索橋在吊索張拉前加勁梁和主纜均施工完畢，此時吊索的安裝和張拉成為施工的特點和難點[4]。自錨式懸索橋空纜狀態(tài)與成橋狀態(tài)下的主纜線形相差巨大，大沽河航道橋的豎向變形將近4m，因此吊索在張拉過程中需要接長。

另外，在吊索張拉過程中各種非線性問題突出，如主纜大位移的非線性、吊索的參與和退出工作、吊索間力的強相干性、主纜與鞍座接觸的非線性、索鞍的頂推非線性、加勁梁與支架的接觸非線性、主塔和加勁梁的梁柱P-Δ效應非線性和混凝土材料的收縮徐變非線性等，所有這些非線性相互耦合作用使得吊索張拉過程的計算極其復雜，且在分析方法上與地錨式懸索橋差異巨大。

對于自錨式懸索橋，將吊索一次均勻張拉至設(shè)計值是最理想的方法，但造價昂貴，而多次分級張拉造價相對較低但會降低張拉效率，因此最好的方法是在多次分級張拉的同時盡量減少吊索的反復張拉次數(shù)，以提高張拉效率，節(jié)省工時、降低造價[5]。大沽河航道橋由于張拉設(shè)備的數(shù)量和能力、吊索承載力、主塔和加勁梁的承載力等各種因素的限制，全橋的吊索需要多次分級張拉才能達到設(shè)計值。

通過對張拉方案進行詳細的計算和分析，提出了一套安全可行的吊索張拉方案，現(xiàn)場采用12臺千斤頂對3種不同編號的吊索同時張拉。具體如下：

1)吊索經(jīng)15次張拉全部到位，索鞍經(jīng)2次頂推復位，臨時支架(支撐)分5次拆除，全部壓重分20次進行施加。

2)吊索的最大張拉力為3 068kN，最大應力為646MPa，安全系數(shù)大于2.59。

3)索塔的縱橋向位移最大為21.9cm，索塔最大壓應力為13.0MPa，最小壓應力為0.4MPa，不出現(xiàn)拉應力。

4)加勁梁最大壓應力為100.1MPa，最大拉應力為89.7MPa，滿足規(guī)范要求。

5)臨時支點反力均不超過其加強構(gòu)造承載力。

6)永久支座反力均不超過其容許承載力，且有一定安全儲備，其中在索塔三角撐上的永久支座上，最小儲備為427t。

7)索鞍兩次頂推復位，最后一次頂推在第7次吊索張拉之后。

8)考慮到壓重需人工施加，施加速度較慢，結(jié)合吊索張拉方案，將青島側(cè)錨固區(qū)壓重1 541t分15次施加，每次102.7t；索塔塔區(qū)壓重544t分5次施加，每次108.8t。施工單位有充分的時間施加壓重。

9)吊索傾斜角度在吊索錨固鋼導管允許的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，且有較大富余，最小富余量為3.2cm。

10)吊索長度不夠時通過接長桿方式接長，接長桿采用分段制造，每段長度1m，最多使用44根接長桿。

3 主纜大位移非線性響應

主纜作為懸索橋的主要承重構(gòu)件，由于柔性幾何可變性，其自身的彈性變形和幾何形狀的改變都可影響結(jié)構(gòu)體系的平衡，表現(xiàn)出的大位移非線性的力學響應是自錨式懸索橋最主要的非線性影響因素之一[6]。在施工過程中，通過對全橋若干吊索的逐漸張拉，主纜的線形由空纜狀態(tài)慢慢逼近成橋狀態(tài)，最終實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。

對吊索張拉過程中主纜的變形進行分析計算，得到主要張拉階段主纜位移的變化情況如圖2所示。

圖2 主纜在各吊索張拉步驟的位移變化

通過計算分析可知，自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，主纜位移變化的主要規(guī)律如下：

1)主纜在吊索張拉過程中位移變化巨大，呈現(xiàn)出顯著的大位移非線性特點。在本文的方案中主纜的累計位移變化達到3.3m。

2)在開始張拉時主纜的索力和剛度較小，每步變形較大；在張拉過程中主纜的索力和剛度也逐漸增大，每步變形逐漸變小。

3)每步張拉過程中主纜在張拉點的位移較大，在本文方案中主纜的單次位移最大時超過2.0m，附近點位移逐漸減小；同跨遠離張拉點的部分點出現(xiàn)明顯的反向位移(最大達到-3.2m)，后逐漸恢復正向位移。

4)在后續(xù)吊索張拉過程中，由于吊索的限制，張拉過的節(jié)點位移基本不再發(fā)生大的變化。

4 吊索索力相干性響應

對于自錨式懸索橋來說，吊索張拉實現(xiàn)了體系轉(zhuǎn)換，是橋梁施工的關(guān)鍵工序，由于索力間的相互影響，吊索張拉也是全橋施工控制的難點。由于主纜是柔性部件，吊索張拉過程中主纜變形較大，后面張拉的吊索會對之前張拉的吊索產(chǎn)生較大影響，其相干性非常明顯[7]。對吊索張拉過程中的吊索索力進行分析計算，得到主要張拉階段吊索索力的變化情況如圖3～圖4所示。

圖3 張拉各步驟吊索索力

圖4 吊索在不同階段索力的變化

通過計算分析可知，自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，吊索索力變化的主要規(guī)律如下：

1)吊索索力在張拉過程中變化較大，無論張拉方式如何，最大出現(xiàn)索力(非最大張拉索力)均需滿足一定的安全要求。

2)主纜在開始張拉時剛度較小，吊索可以一步張拉到位，但在張拉過程中主纜剛度逐漸增大，為保證吊索索力在安全范圍內(nèi)，張拉的橋梁孔跨中部區(qū)域部分吊索需多次張拉才能到位。

3)張拉吊索時對附近已張拉點的索力影響巨大，往往會出現(xiàn)附近已張拉點的索力急劇減小而遠離張拉點的索力逐漸增大的現(xiàn)象。

4)吊索張拉會引起索塔偏向張拉跨，這將導致鄰跨主纜垂度減小和吊索索力的增大，因此相鄰跨吊索需交替張拉以保證已張拉的吊索索力不會超限。

5)由于吊索索力的相干性，張拉階段往往容易忽視部分吊索可能會出現(xiàn)索力過小的情況，應保證最小索力在安全范圍內(nèi)，防止吊索索力過小而導致錨頭偏移或傾斜。

6)由于主纜大變位影響，張拉前主纜上的吊點到加勁梁錨固點的距離大于吊索長度，必須設(shè)置接長桿將吊索錨頭張拉至錨點。為了使用的方便及節(jié)省材料，接長桿可采用分段設(shè)計，在使用時按需接長。

5 索塔變位及受力響應

在自錨式懸索橋吊索張拉過程中，索塔兩側(cè)主纜的水平分力發(fā)生不對等增長，空纜狀態(tài)預偏索鞍時索塔的平衡狀態(tài)逐漸被打破，索塔發(fā)生偏位，塔身承受不對稱的力，需要及時對索鞍進行頂推以保證索塔進入新的平衡狀態(tài)。

對吊索張拉過程中索的受力進行分析計算，得到主要張拉階段索塔塔頂?shù)淖兾患皯O值如圖5～圖6所示。

圖5 索塔塔頂在各張拉步驟縱橋向位移

圖6 索塔塔身應力極值

通過計算分析可知，自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，索塔變位和受力的主要規(guī)律如下：

1)索塔處于吊索張拉前的空纜狀態(tài)時，要對塔頂索鞍進行預偏，以保證索塔兩側(cè)主纜水平分力的平衡，保證索塔的結(jié)構(gòu)安全。但需注意，索塔此時為偏心受壓狀態(tài)，因此空纜狀態(tài)下索塔塔頂仍有近2cm的偏移。

2)吊索張拉應保持相鄰跨交替進行，以保證索塔不會出現(xiàn)較大的不平衡力。但由于主邊跨跨徑不等，索塔在吊索張拉過程中，主纜水平分力平衡狀態(tài)不可避免會被打破，索塔塔頂承受的豎向和水平分力均逐漸增大，到一定程度時需進行索鞍頂推以釋放新的不平衡水平力，保證索塔受力安全。

3)索鞍頂推會造成索塔應力的急劇變化，因此需保證索塔有足夠的應力儲備以防止混凝土索塔開裂。為提高張拉效率，索鞍頂推次數(shù)越少越好，且應保證索鞍盡早頂推到位，防止塔頂主纜豎向分力過大導致索鞍難以頂推。

4)在吊索張拉完畢的成橋狀態(tài)，索鞍處于索塔中心，索塔平衡受力，塔頂位移為0，塔身應力對稱。

6 加勁梁的變形及受力響應

吊索張拉的過程也是加勁梁質(zhì)量由支架承受向主纜承受轉(zhuǎn)換的過程，這一過程的初期由于被張拉吊索的拉力較小，所以吊索的張拉不會對加勁梁的受力產(chǎn)生明顯的影響。而隨著吊索的不斷張拉，加勁梁的質(zhì)量由單純支架支承變?yōu)橹Ъ芘c主纜共同支承，直到最后變?yōu)榧觿帕和耆撾x支架由主纜完全承受加勁梁的質(zhì)量從而實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，這期間加勁梁的受力會發(fā)生較大變化。

對吊索張拉過程中的加勁梁進行分析計算，得到主要張拉階段加勁梁高程的變化及應力極值如圖7～圖8所示。

圖7 加勁梁在各吊索張拉步驟的高程變化

圖8 加勁梁在吊索張拉過程中的應力極值

通過計算分析可知，自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，加勁梁變形和受力的主要規(guī)律如下：

1)由于吊索力需要克服加勁梁的重力，在張拉開始后的很長一段時期，加勁梁基本不會脫離支架，其受力也變化不大。而隨著吊索的不斷張拉，加勁梁一旦脫離支架實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，每張拉一步加勁梁的變形和受力都會發(fā)生較大變化。

2)由于張拉前采用大節(jié)段吊裝架設(shè)、簡支變連續(xù)方式施工，加勁梁在臨時墩支架上處于連續(xù)的簡支受力狀態(tài)，從而導致在吊索張拉過程中加勁梁變形不太均勻，在大節(jié)段跨中變形較大，支點變形較小。

3)在整個吊索張拉過程中，加勁梁在整體彎矩逐漸增大的情況下，主纜在梁上錨固從而傳遞給加勁梁的軸向壓力也逐漸增大，鋼加勁梁處于較為安全的壓彎狀態(tài)，應力儲備較大。

7 支點反力響應

吊索張拉過程中加勁梁與支架之間的相互作用力的變化是非線性的。最初，加勁梁的質(zhì)量完全由臨時支架承擔，隨著吊索的不斷張拉，加勁梁與支架之間逐漸脫離而實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。支架只承受壓力，不承受拉力，加勁梁和支架之間存在只壓不拉的接觸非線性關(guān)系。

永久支座同樣有一定的承載力要求，在吊索張拉過程中，吊索張拉和臨時支架的拆除都會引起永久支座反力的變化。因此吊索張拉方案必須保證永久支座的安全，不能出現(xiàn)負反力，因此需布置壓重以保證支座受力安全[8]。

對吊索張拉過程中的支點反力進行分析計算，得到各步驟臨時支架和永久支座的反力如圖9、圖10所示。

圖9 各步驟11#臨時支架反力圖

圖10 各步驟青島輔助墩永久支座反力圖

通過計算分析可知，自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，支點反力的主要變化規(guī)律如下：

1)隨著吊索張拉的完成，加勁梁脫離支架從而實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。臨時支撐完全脫離，而永久支撐完全受力。

2)吊索張拉過程中，臨時支架支撐反力總體而言逐漸減小，但在某些張拉步驟會出現(xiàn)增大現(xiàn)象，應保證支點承載力及加勁梁局部構(gòu)造的受力不能超限。臨時支撐一旦脫離應立即拆除，防止某些階段梁體重新回落出現(xiàn)支撐偏離現(xiàn)象。

3)由于主纜豎向分力及吊索力逐漸增大和臨時支撐的逐漸拆除，永久支座反力也不停地發(fā)生變化，在保證其承載力滿足要求的前提下，也要防止負反力的出現(xiàn)，因此應在張拉的合理階段逐漸施加壓重，保證支座受力在安全范圍內(nèi)。

8 總結(jié)

在吊索張拉的體系轉(zhuǎn)換過程中，自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)受力異常復雜，張拉控制難度較高，其主要響應規(guī)律如下：

1)主纜呈現(xiàn)出顯著的大位移非線性特點；每步張拉中張拉點的位移變化較大，由近到遠其附近點的位移逐漸減小，同跨遠離張拉點的部分點出現(xiàn)明顯的反向位移；在剩余吊索張拉過程中，已張拉過的節(jié)點位移不再發(fā)生大的變化。

2)張拉開始時主纜的剛度較小，吊索可以一步張拉到位，但在張拉過程中主纜剛度逐漸增大，部分吊索需多次張拉才能張拉到位；吊索力在張拉過程中變化較大，最大索力和最小索力均需滿足一定的安全要求；吊索張拉會導致附近已張拉點索力出現(xiàn)明顯卸載而遠離張拉點的索力及鄰跨索力卻出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

3)索塔在吊索張拉前的主纜空纜狀態(tài)下處于力平衡狀態(tài)，在張拉過程中主纜水平分力不再平衡，需進行索鞍頂推以保證索塔受力安全；索鞍頂推會造成索塔位移和應力出現(xiàn)急劇變化，索鞍應盡早頂推且頂推次數(shù)越少越好；成橋狀態(tài)的索鞍已頂推至索塔中心，索塔恢復至受力平衡狀態(tài)。

4)在吊索張拉開始后的很長一段時期，加勁梁基本不會脫離支架，而隨著吊索的不斷張拉，加勁梁一旦脫離支架實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，后期每一步張拉都將引起加勁梁變形和受力的較大變化。整個張拉過程中加勁梁基本處于較為安全的壓彎狀態(tài)，但加勁梁線形特點對其預拱度設(shè)置提出了較高的要求。

5)在吊索張拉完成后，加勁梁脫離支架從而實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，臨時支撐完全脫離，永久支撐完全受力；臨時支架支撐反力在某些張拉步驟會出現(xiàn)增大現(xiàn)象，應保證支點承載力及加勁梁局部構(gòu)造受力不能超限；永久支座反力應保證其承載力滿足要求，必要時應在合理階段逐漸施加壓重防止負反力的出現(xiàn)。

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