楊秀剛

摘要 主塔作為懸索橋重要的承載結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量直接決定懸索橋整體使用性能。主塔偏位嚴(yán)重影響主塔線形，降低結(jié)構(gòu)承載性能和穩(wěn)定性，因此加強(qiáng)主塔偏位誤差控制尤為重要。鑒于此，文章系統(tǒng)探究了主塔偏位的具體原因，提出了有效的控制方法：在貓道改掛及纜載吊機(jī)安裝完畢，在貓道上方設(shè)置配重，利用貓道、吊機(jī)及配重荷載聯(lián)合作用，控制主塔頂部位移，確保偏位為0，從而有效控制貓道改掛、吊機(jī)安拆過程中造成的主塔偏位誤差，并依托白帝城長江大橋工程實(shí)踐，借助Midas Civil軟件建立有限元分析模型，分別對無配重和有配重狀態(tài)下橋梁主塔偏位情況實(shí)施模擬計(jì)算，充分驗(yàn)證了此方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；懸索橋；貓道改吊；主塔偏位控制

中圖分類號 U448.25文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0078-03

0 引言

懸索橋具有結(jié)構(gòu)靈活、跨越能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、占用土地少等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程建設(shè)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。實(shí)際工程建設(shè)中，通常將主纜、主梁線形作為質(zhì)量控制要點(diǎn)，而忽視對主塔線形的控制，從而導(dǎo)致大部分懸索橋建成后存在主塔偏位過大的情形，嚴(yán)重影響主塔承載性能。為此，該文系統(tǒng)探究了主塔偏位誤差控制方法，對提升主塔偏位控制水平，保證懸索橋建設(shè)質(zhì)量具有重要意義[1]。

1 主塔偏位成因分析

受懸索橋主纜位移效應(yīng)影響，主纜、索夾、吊索施工完成后，在進(jìn)行加勁梁安裝前，通常將貓道改掛至主索之上。貓道改掛后，其自身重力荷載及上部施加的所有外部荷載均可看作主纜承受的豎向荷載。纜載吊機(jī)作為加勁梁吊裝的主要設(shè)備，其噸位較大，且重力荷載較為集中，在進(jìn)行加勁梁安裝過程中，纜載吊機(jī)重力荷載也可看作主纜承受的豎向荷載[2]。

根據(jù)懸索橋設(shè)計(jì)實(shí)際情況，在忽略貓道改掛及吊機(jī)荷載作用條件下，大橋在空纜狀態(tài)下主塔頂部不平衡水平力及偏位全部為0。實(shí)際施工時，當(dāng)貓道改掛于主纜之上，主纜承受貓道和吊機(jī)重力荷載作用，造成中邊跨受力不均衡，便會在主塔頂部形成不平衡水平力。大橋空纜狀態(tài)時，假設(shè)主塔在貓道改掛及吊機(jī)重力荷載影響下產(chǎn)生的不平衡水平力為F，主塔抗推剛度為K，主塔頂部偏位為ΔL，則ΔL=F/K，具體如圖1所示。

懸索橋成橋工況下，主纜張拉力、幾何剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空纜工況下的張拉力與幾何剛度，主塔抗推剛度K′產(chǎn)生顯著變化。在主纜及主塔保持不變的條件下，對南塔、北塔分別施加100 kN向跨中的水平力，空纜工況下，南塔、北塔位移依次為0.005 m和0.013 m；而成橋工況下，南塔、北塔位移均為0.001 m，充分表明大橋在空纜及成橋工況下主塔抗推剛度存在顯著差異，即：K′≠K。

大橋由空纜至成橋階段，主纜豎向高程變化較大。其中，空纜及成橋工況下貓道及吊機(jī)荷載對主塔頂部產(chǎn)生的總彎矩如表1所示。

通過表1能夠看出：①北塔在空纜與成橋工況下總彎矩之差為319.28 kN·m，主塔高度175.2 m，二者之間的比值為1.822 kN，即為北塔在空纜與成橋工況下不平衡水平力之差；②南塔在空纜與成橋工況下總彎矩之差為230.19 kN·m，主塔高度144.3 m，二者之間的比值為1.595 kN，即為南塔在空纜與成橋工況下不平衡水平力之差。由此可知，懸索橋在貓道、吊機(jī)荷載共同作用下對主塔頂部產(chǎn)生的不平衡水平力F′與空纜工況下產(chǎn)生的不平衡水平力F基本相等，即F′ ≈F。

根據(jù)上述分析結(jié)論，懸索橋成橋狀態(tài)下，貓道、吊機(jī)拆除階段，可視為主塔頂部產(chǎn)生等大反向的反作用力?F′，該條件下形成的主塔偏位為ΔL′=F′/K′，詳細(xì)情況如圖2所示；因|F′|≈|F|，K′≠K，因此|ΔL|≠|(zhì)ΔL′|，主塔無法徹底恢復(fù)原位，其偏位誤差f=|ΔL|?|ΔL′|。由此可知，懸索橋成橋工況下貓道和吊機(jī)安拆是導(dǎo)致主塔產(chǎn)生偏位誤差的根本原因。

2 主塔成橋偏位誤差控制方法

通過上述分析可知，懸索橋成橋工況下貓道改掛、拆除及吊機(jī)安拆均會導(dǎo)致主塔產(chǎn)生偏位誤差，為實(shí)現(xiàn)對此誤差的有效控制，提出了具體的控制方法?；驹砣缦拢涸谪埖栏膾旒暗鯔C(jī)安裝完畢后，在貓道上方設(shè)置配重，利用貓道、吊機(jī)及配重荷載聯(lián)合作用，控制主塔頂部位移，使其不平衡水平力及偏位歸0，從而有效控制貓道改掛、吊機(jī)安拆過程中造成的主塔偏位誤差，確保主塔成橋工況下偏位誤差滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，切實(shí)保障橋梁整體建設(shè)質(zhì)量。詳細(xì)施工流程如下：

（1）借助有限元分析模型，對空纜工況下主塔偏位情況實(shí)施模擬分析，按照實(shí)際計(jì)算重量，科學(xué)選擇性能優(yōu)良的配重設(shè)施，并結(jié)合配置理論重量實(shí)施分段逐級加載[3-4]。

（2）施工期間應(yīng)對主塔頂部偏位實(shí)施監(jiān)測，主要監(jiān)測項(xiàng)目包括：①主纜安裝完畢，測出空纜條件下主塔偏位量，記作L₀；②貓道改掛、吊機(jī)安裝完成后，測出該條件下的主塔偏位，記作L₁；③跟蹤監(jiān)測各級加載工況下的主塔偏位，分別記作L₂，L₃，…，L_i；④配重完全加載后，測出主塔偏位，保證該條件下偏位符合L_i=L₀。

（3）懸索橋建設(shè)完畢，在進(jìn)行貓道拆除時，應(yīng)緩慢移動吊機(jī)至跨中部位，然后依次卸載配重、吊機(jī)，最后逐步拆除貓道。

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 無配重主塔偏位

為有效驗(yàn)證上述主塔成橋偏位誤差控制方法的有效性和可行性，選取白帝城長江大橋施工實(shí)踐，并建立有限元模型進(jìn)行模擬分析。白帝城長江大橋?yàn)楸边吙?88 m+主跨918 m+南邊跨317 m的加勁鋼箱梁懸索橋，詳細(xì)步驟如下：

（1）借助Midas Civil系統(tǒng)構(gòu)建空纜工況下的有限元分析模型。通過模擬計(jì)算得到空纜條件下南、北塔頂部偏位依次為0.013 m、?0.005 m。

（2）將貓道改掛及吊機(jī)荷載視為集中荷載，并采用等效荷載模擬分析空纜工況下主塔偏位情況，加載示意圖如圖3所示。主塔偏位情況如表2所示。

（3）利用Midas Civil系統(tǒng)構(gòu)建成橋工況下的有限元分析模型[5-6]。安裝索鞍后，施加與貓道改掛及吊機(jī)荷載等大反向的荷載作用，對成橋工況下貓道、吊機(jī)拆除后主塔偏位進(jìn)行模擬分析，得出詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

通過表2～3能夠看出：①大橋空纜工況下索鞍加固后主塔偏位為初始狀態(tài)，貓道改掛機(jī)吊機(jī)安裝后，北塔向中跨偏移0.094 m；②成橋工況下撤除貓道、吊機(jī)后，南、北塔依次向邊跨偏移0.015 m和0.026 m。按照上文所述，貓道及吊機(jī)安裝、拆除全過程，南、北塔總偏移量依次為0.079 m和0.040 m，兩塔未徹底恢復(fù)原位。

3.2 配重后主塔偏位

從表2能夠看出：相較于初始狀態(tài)，南、北塔依次向中跨偏移0.094 m和0.024 m。配重加載模擬步驟如下：

（1）利用Midas Civil系統(tǒng)構(gòu)建空纜工況下的有限元分析模型，在與主塔偏位對向主纜上方施加配重荷載，如圖4所示。

（2）模擬計(jì)算主塔偏位數(shù)值，并與空纜條件下主塔偏位初始值進(jìn)行對比，若二者較為接近，證明滿足要求[7]。若偏差較大，則增加配重荷載，直至計(jì)算結(jié)果接近初始值。通過模擬計(jì)算，最終在北塔向中跨方向接近主塔106.5 m區(qū)域內(nèi)主纜上方加載238 kN，在南塔邊跨方向接近主塔177.5 m區(qū)域內(nèi)主纜上方加載880 kN。該條件下主塔偏位情況如表4所示。

（3）建立成橋工況下有限元分析模型，施加等大反向配重荷載，模擬分析卸除配重、貓道、吊機(jī)荷載后的主塔偏位情況，具體結(jié)果如表5所示。

通過表4、表5能夠看出：①空纜工況下，同時施加貓道、吊機(jī)、配重荷載作用，主塔偏移為0；②成橋工況下，同步卸除貓道、吊機(jī)、配重荷載，南、北塔分別向邊跨偏移0.013 m和0.028 m。使用配重與不使用配重條件下，大橋成橋工況時的主塔偏移情況如表6所示。

通過表6能夠看出，通過設(shè)置配重成橋后南、北塔偏移量分別減小0.066 m和0.012 m，充分表明采用此方法對懸索橋成橋后主塔偏位誤差實(shí)施控制，具有較強(qiáng)的可行性[8]。

4 結(jié)論

綜上所述，為有效控制懸索橋主塔偏位誤差，保證主塔線形及穩(wěn)定性，該文全面探究了懸索橋主塔偏位的具體原因，并提出了科學(xué)有效的控制方法。詳細(xì)結(jié)論如下：

空纜工況下貓道改掛、吊機(jī)安裝與成橋工況下貓道、吊機(jī)卸載時，主塔剛度變化較大，造成主塔難以徹底復(fù)位，從而導(dǎo)致成橋過程中主塔產(chǎn)生偏位。

貓道改掛及纜載吊機(jī)安裝完畢后，在貓道上方設(shè)置配重，利用貓道、吊機(jī)及配重荷載聯(lián)合作用，控制主塔頂部位移，確保偏位為0，從而有效控制貓道改掛、吊機(jī)安拆過程中造成的主塔偏位誤差，并借助有限元分析模型，對無配重和有配重狀態(tài)下，橋梁主塔偏位情況實(shí)施模擬計(jì)算，充分驗(yàn)證了此方法的可行性。

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