自锚式悬索桥吊索张拉过程中索力变化规律的试验研究

黄海云，张俊平，刘爱荣，梅力彪，李永河

(广州大学 土木工程学院，广州 510006)

0 概述

吊索是自锚式悬索桥中联系加劲梁和主缆的纽带，是将活载和加劲梁的恒载传递到主缆的构件。吊索恒载索力的大小，既决定了主缆在成桥状态下的线型，也决定了加劲梁的恒载弯矩，是悬索桥成桥状态的关键指标。自锚式悬索桥在吊索张拉过程中，存在各种非线性因素的影响，如主缆的几何非线性、主梁与支架之间的相互作用力的变化以及鞍座的滑移和顶推等，使得各吊索力的计算相当复杂，以至难以准确分析，因此需要通过模型试验来进行研究。目前国内外对自锚式悬索桥在体系转换过程中吊索受力特性的研究并不多见，文献[1]、[2] 通过理论分析研究了自锚式悬索桥体系转换过程中的吊索索力的变化规律;文献[3] 通过模型试验研究了佛山平胜大桥体系转换过程受力行为;文献[4] 分析研究了韩国永宗大桥吊索张拉施工过程与吊索索力变化的关系;文献[5] 通过理论分析研究了自锚式悬索桥体系转换过程中的吊索索力的变化规律。其中文献[1]、[2] 、[5] 就吊索的索力变化规律研究得到的个别观点而言，显得不够全面和严谨。本文基于广州猎德大桥全桥缩比模型试验，采用不同的张拉程序对独塔两跨、空间缆索自锚式悬索桥的吊索受力特性进行了研究[6]。

1 模型试验概况

广州猎德大桥全桥试验模型按几何缩尺比1/10进行设计，并遵循面积、刚度、应力等相似的原则。模型桥梁的外观尺寸为长48 m×宽3.4 m×高9.8 m，28对吊索分别采用φ12 mm或φ7 mm两种钢丝绳模拟，另采用φ18 mm的圆钢作为接长杆。每根吊索均设置索力测点，索力测试采用设置在接长杆螺栓上的穿心式力传感器进行测量，并通过拧紧接长杆螺栓进行张拉吊索。模型总体布置如图1所示。

模型桥梁的加劲梁及一期恒载的配重预先支承在临时支架(包括5对临时墩及6对支架)上，随着吊索的逐步张拉，加劲梁经历了未脱架(脱架指脱离临时支架，下同)、部分脱架、全部脱架三种不同支承状态，最终实现体系转换。试验中分别采用了两种不同的吊索张拉方式，第一种是以主、副跨吊索交错张拉为主，共计29个工况(表1);第二种以主、副跨吊索对称张拉为主，共计17个工况(表2)。

2 试验测试结果分析

2.1 吊索索力随张拉工况的变化规律

1)图2、3分别展示了在两种张拉程序下各吊索在不同工况下的索力分布曲线。在不同的张拉程序下，索力随工况的顺延经历了先快后慢、逐步趋于稳定的过程:当加劲梁未脱架时，吊索索力随工况变化增长幅度较大;当加劲梁部分脱架后，吊索索力随工况变化增长幅度逐渐减小;当加劲梁完全脱架，即实现体系转换后，吊索索力变化很小。

2)图4、5分别展示了若干吊索在两种张拉程序下索力随工况变化的过程曲线。表明大多数吊索都经历了因张拉而获得索力、受相邻吊索张拉的影响而索力骤减、受其他吊索张拉的影响而索力逐步增长的三个变化过程，待加劲梁基本或完全脱架后，各吊索的索力变化趋于平稳，这与文献[1]、[2] 的研究结果基本一致。

图1 模型总体布置(单位:m)

表1 吊索张拉程序1

表2 吊索张拉程序2

3)表3列出了按张拉程序2完成吊索张拉过程时，实测初张力、相邻性影响后索力及最终索力的比值。由表3可知:先张拉的邻近索塔的10#、11#、14#～18#吊索的最终索力远大于初张力，最终索力与初张力比值的均值约为2.2，说明了该吊索的最终索力主要源于相邻吊索以外的吊索张拉时，在该吊索上产生的累计增长效应;此外，7#～22#吊索在相邻性影响后的索力增量约占其最终索力的10% ～90%，由此可见，吊索的张拉除了对相邻吊索的影响较大以外，对其它吊索索力的影响作用也不容忽视。上述数据表明了文献[1]由几何关系证明的吊索力的相邻影响原理(下称吊索力的弱相干性)，得出“张拉点对相邻吊索的影响较大，而对相邻吊杆以外的吊索力的影响很小”的结论，表述得不够严谨和全面，这将导致大多数吊索的最终索力减少约50%。

图2 张拉程序1试验工况下吊索索力分布曲线

图3 张拉程序2试验工况下吊索索力分布曲线

图4 张拉程序1中7、12、13、18号吊索索力变化曲线

图5 张拉程序2中13、16、19、23号吊索索力变化曲线

表3 张拉程序2下实测初张力、相邻性影响后索力、最终索力的比较 kN

2.2 吊索索力增量的规律

为了研究在各张拉工况下索力增量的分布规律，引入索力增量比的概念，索力增量比为在当前工况下，吊索索力的增量与被张拉吊索的张拉力比值。索力增量比为正值表示索力增加，负值表示索力减少。在不同的张拉程序下，若干代表性工况下各吊索的索力增量及增量比分布曲线如图6～图10所示。

1)由图6～图10、表4可知，张拉某根吊索对其它已张拉吊索的影响，与自锚式悬索桥体系转换的状态有关:在加劲梁未脱架时，相邻吊索索力减少量约为当前初张力的0.42～0.55倍，邻近的第3～8根吊索索力增量比约为0.05～0.09，若是采用交错张拉法，则在非张拉桥跨距索塔最远端的吊索索力增量比约为0.10;当加劲梁完全脱架后，相邻吊索索力减少量约为当前初张力的0.65～0.68倍，其它吊索索力增量比均少于0.03。以上数据分析表明文献[1]的吊索力相邻影响原理，只有在自锚式悬索桥体系转换完成后才能成立。

图6 张拉程序1试验工况下索力增量曲线

图7 张拉程序2试验工况下索力增量曲线

图8 张拉程序1张拉桥跨吊索索力增量比的影响线

图9 张拉程序1非张拉桥跨吊索索力增量比的影响线

图10 张拉程序2张拉桥跨吊索索力增量比的影响线

图11 张拉程序2中最邻近吊索索力减少量(增量比)与当前吊索张拉力的关系曲线

表4 不同张拉程序及张拉工况下吊索索力的平均增量比

2)由图11可知，相邻吊索索力损失量(增量比)与当前吊索张拉力之间存在着显著的非线性关系，在吊索张拉的初期，加劲梁未开始脱架前，其比值随张拉力的增加而减少;在加劲梁脱架期间，其比值随张拉力的增加而增加;待加劲梁脱架、结构体系转换完成后，其比值相对趋于稳定，随张拉力变化的影响不大。

3 结论

通过上述对猎德大桥模型试验中吊索索力相关的试验实测数据的分析，可以得出如下结论。

1)在吊索张拉过程中，吊索索力是一个动态的变化过程，索力变化的幅度量值与体系转换状态有关。体系转换前，加劲梁支承在刚性支座或多点弹性支撑上，吊索张拉对相邻吊索索力有较大的削减作用，同时也使其它吊索索力逐步增大。体系转换后，吊索张拉对相邻吊索索力削减效应更为明显，而对其它吊索索力的影响很小，吊索索力基本趋于稳定。

2)吊索索力的弱相干性特征，即张拉吊索仅对相邻吊索有影响，只适用于自锚式悬索桥体系转换完成后的结构状态。

[1] 张哲.混凝土自锚式悬索桥［M］.北京:人民交通出版社，2005.

[2] 胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用［M］.北京:人民交通出版社，2008.

[3] 胡建华，沈锐利.佛山平胜大桥全桥模型试验研究［J］.土木工程学报，2007，40(5):17-25.

[5] KIM HO-KYUNG，LEE MYEONG-JAE and CHANG SUNGPIL.Determination of hanger installation procedure for a selfanchored suspension bridge［J］.Engineering Structures，2006，28(7):959-976.

[6] 檀永刚，张哲，严伟飞.自锚式悬索桥施工控制的力学特性［J］.公路交通科技，2006，23(6):92-95.

[7] 张俊平，刘爱荣，黄海云，等.广州猎德大桥施工控制方法研究报告［R］.广州:广州大学，2007.

[8] 田越.大跨度悬索桥主缆缠丝拉力损失的试验研究［J］.铁道建筑，2009(6):12-14.

[9] 陈春华.自锚式悬索桥施工技术研究［J］.铁道建筑，2005(12):4-6.

[10] 张喜胜.自锚式悬索桥悬索的安装施工技术［J］.铁道建筑，2004(4):3-5.