超长斜拉索软硬组合牵引系统安装受力机理

饶华容，游新鹏

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430014）

1 引言

随着社会经济的发展，一批跨大江、跨海湾特大跨斜拉桥逐步开工建设，且跨度越来越大，作为斜拉桥主要受力构件的斜拉索也随之加长、加重，软、硬组合牵引工艺在斜拉索安装中得到了广泛的应用。本文以苏通大桥为例对软、硬组合牵引系统受力机理进行分析，论述软、硬组合牵引系统施工关键技术。苏通大桥主桥是双向6车道的双索面钢箱梁斜拉桥，主跨为1 088 m，是目前世界上已建成的最大跨度斜拉桥。其索塔高达300.4 m，最长斜拉索达577 m，重达59 t。

2 概述

苏通大桥超长索的施工采用梁端软硬组合牵引、梁端张拉的方法，其主要施工程序为：桥面吊索桁车整体提升索盘上桥面→桥面卷扬机牵引斜拉索桥面展开→斜拉索塔端挂设→桥面卷扬机、连续千斤顶及张拉千斤顶分别依靠钢丝绳、钢绞线和张拉杆牵引梁端锚头入索套管锚固→梁端进行张拉及塔端调索。

斜拉索梁端牵引的角度调整系统通过安置在桥面吊机上的组合牵引系统辅助完成，减轻了悬臂端临时荷载的重量，同时也减小了作业空间。牵引系统如图1所示。

斜拉索牵引主要分成5个步骤：

第一步：在梁端锚头处安装夹具、吊具，卷扬机牵引梁端锚头前行，汽车吊提升梁端锚头上导向滚轮及导向架。

第二步：卷扬机牵引梁端锚头至桥面吊机处后，安装组合张拉杆及软牵引装置，安装提升夹具，连接角度调整手拉葫芦及50 t汽车吊，调整角度。

图1 梁端牵引系统示意图

第三步：桥面卷扬机滑车组牵引斜拉索前行，当张拉杆中心线同索套管重合后改换连续千斤顶牵引斜拉索。

第四步：连续千斤顶牵引张拉杆出900 t穿心千斤顶后，移走50 t汽车吊，拆除卷扬机牵引装置，30 t手拉葫芦2在夹具2处提升斜拉索调整角度，拆除连续千斤顶安装张拉螺母。

第五步：30 t手拉葫芦1、2、3调整角度，900 t穿心千斤顶牵引斜拉索直至所有加长张拉杆出千斤顶面，拆除所有加长张拉杆，至此斜拉索梁端挂设完成。

3 牵引过程仿真分析

3.1 斜拉索脱离桥面前分析

斜拉索在展开及塔端挂设完成后，斜拉索所在的状态为塔端锚固，梁端锚头由卷扬机牵引向梁端锚固点移动。随着锚头的移动，本来由小车支承的斜拉索逐渐脱开，直到所有的斜拉索完全脱离桥面[1]。

图2为牵引过程示意图，（a）为拉索脱离地面前的状态；（c）为拉索脱离地面后的状态；（b）则是状态（a）和（c）的临界状态，拉索刚好脱离地面，并且索右端点的斜率恰好为0。

图2 牵引过程示意图

下面以苏通大桥J34号索为例分别对这3种状态进行解析。

由于悬空段拉索与水平地面接触时，接触点位置x0不断变化，但x0处斜率始终为0，为方便求解，设悬空段拉索的线形方程[2]为：

由塔端锚固位置的边界条件可得：在x0处的边界条件已自然满足。

悬空段拉索的无应力长度[3]为：

忽略地面摩擦力，则地面段拉索的无应力长度为：

根据拉索的无应力长度不变，可得：

式中：S0为拉索设计无应力总长；h为拉索竖直投影长度；L为拉索水平投影长度；H为拉索牵引力水平分力；q为拉索线密度；E为拉索弹性模量；A为拉索钢丝截面积。

下面确定临界状态的线形参数及对应的牵引位置。

令x0=L=L0，则解得L0=518.516 m，K=641.277 m，H=646.407 kN。

因此，索刚好脱离地面时，索牵引到距塔端518.516 m的位置。

3.2 斜拉索脱离桥面之后分析

对斜拉索脱离桥面之后，安装组合张拉杆以及软牵引用钢丝绳，采用吊车以及组合牵引系统的手拉葫芦辅助，逐步调整角度，进入索道管，到达锚固位置，安装张拉千斤顶。采用3-D有限元软件MIDAS对过程进行仿真分析。

3.2.1 计算模型及工况分析

模型中斜拉索采用索单元进行模拟，张拉杆采用梁单元进行模拟，斜拉索和张拉杆的材料和截面特性如表1。

表1 计算模型中采用材料截面特性表

根据斜拉索牵引实际状态，将牵引全过程划分为如表2工况。

3.2.2 结果

各阶段斜拉索索力牵引力及手拉葫芦吊点反力结果见表3。可以看出，在调整角度阶段采用手拉葫芦将张拉杆和斜拉索连接处吊起，斜拉索索力有所减小。斜拉索索力减小的时候，牵引力还是略有增加。牵引到位时需要牵引力为928 kN，最大的吊点反力为牵引到位时的268 kN。

表2 分析工况表

表3 斜拉索索力牵引力及手拉葫芦吊点反力kN

4个阶段张拉杆应力图如图3所示。

图3 张拉杆应力图

可以看出，角度调整对张拉杆受力的影响很小，此时张拉杆内的应力水平很低。

4 角度调整影响分析

张拉杆进入索道管时，角度调整同时进行，在角度调整以及牵引进入索道管的过程中，手拉葫芦所需要的起吊力不断发生变化，对4个工况进行了模拟（见表4）。

通过计算分析，可以得到4个工况对应的吊点反力，即手拉葫芦处的吊点反力变化如图4所示。

可以看出，手拉葫芦处吊点反力在牵引到位时最大，中间的调整阶段吊点反力随着张拉杆进入索道管逐渐变大，吊点反力最大达到268 kN。

表4 角度调整影响分析工况

图4 张拉杆角度调整吊点反力示意图

角度调整对斜拉索索力及牵引力的影响见表5。

斜拉索索力与张拉杆牵引距离有关系，在张拉杆到达指定千斤顶安装位置时，斜拉索平均索力为982 kN。牵引力也随着牵引的进行逐渐增大，最大牵引力为928 kN。

各阶段张拉杆应力如图5所示，可以看出张拉杆在牵引过程中应力水平始终在较低的水平。

表5 各工况斜拉索索力以及牵引力结果

图5 张拉杆应力图

5 结论

苏通长江公路大桥于2007年6月10日顺利合龙，仿真分析理论计算数据与现场实测情况基本吻合，通过仿真分析以及现场实测情况证实：

（1）软、硬组合牵引工艺满足超长索安装需要，该系统用于超长索牵引可行。

（2）本例中斜拉索安装硬牵引系统（张拉杆）在整个牵引过程中应力水平较低，可确保硬牵引施工安全；软牵引过程中，牵引力与吊点反力逐步增大，牵引到位时，牵引力为928 kN，吊点反力为268 kN，现有软牵引及角度调整设备完全能够满足施工需求。

（3）角度调整与牵引同时进行，角度调整对硬牵引（张拉杆）受力影响较小。

[1]陈明宪.斜拉桥建造技术[M].人民交通出版社，2004.

[2]（美）斯科台克（Schodek，D.L.）.建筑结构分析方法及其设计应用[M].罗福午，杨军，曹俊，译.北京：清华大学出版社，2005.

[3]路志浩，陈以一.一般情况下小垂度索的刚度方程及其应用[J].力学季刊，2000，21（2）.