自锚式悬索桥缆索体系施工几个问题的探讨

郭汉香

（中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海 200070）

0 前言

自锚式悬索桥不需要像普通悬索桥那样设置地锚,而是直接将主缆锚固在加劲梁的两端,悬索受拉，加劲梁受压，形成内部自身平衡体系，结构工作效率高，与斜张桥有异曲同工之理。该桥型为不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决方法，也使这种美观的桥型成为中小跨径内非常具有竞争力的桥型,近年来正得到大量应用。

自锚式悬索桥与一般悬索桥的主缆一样均为柔性索结构,具有主缆几何非线性对结构影响相同的属性。但是，自锚式悬索桥特殊的自身受力平衡结构体系，它不能借助外力来平衡自身内部的力,故平衡对称原理作为自锚式悬索桥的基本原理是设计和施工的基础。因此，自锚式悬索桥缆索体系施工技术有别与一般悬索桥，对悬索施工控制中关键的计算架设参数、修正控制参数，以及确定顶推阶段和顶推量提出了更高的精度要求。本文以宁波市庆丰桥-三跨连续自锚式悬索桥，全桥长487.7 m，跨径组合为108.85m＋280 m＋108.85m为工程背景，对缆索体系施工中架设参数计算的平衡条件选取、猫道荷载和温度效应对主缆的影响、预偏量及索鞍顶推的实质等问题作一些探讨。

1 平衡条件的选取

架设参数的计算主要采用悬索力学的解析法和几何非线性有限元法两种方法。在这两种计算方法中,都涉及到成桥状态或基准索股架设状态的平衡条件的选取。其中成桥状态的平衡条件是设计所要求的,如在计算中不体现这一条件,则算出的结果将不满足设计要求,而基准索股架设状态的受力平衡条件事关架设精度控制的难易。

成桥状态平衡条件:一是对于主索鞍,要求鞍座位于索塔中心,以达到设计跨径,要求中、边跨索力水平分力相等(索力并不相等,依靠鞍槽内的摩擦力防止滑移),以确保索塔竖直,塔根弯矩最小,防止徐变现象加大塔顶的偏位,影响桥面线形；二是对于散索鞍,由于它铰支在锚梁上,且锚跨索股分散布置,要求散索鞍轴线位于边跨主缆和锚跨主缆的角平分线上,锚跨索股轴线上的分力之和与边跨主缆索力相等,避免滚座受剪。解析法计算时,利用了这些平衡条件建立方程,因而计算出的成桥状态自然满足这些平衡条件;有限元法计算时,平衡条件是包括缆索、索塔及加劲梁等构件的整体平衡,要体现中、边跨索力水平分力相等这一条件,应规定塔顶对鞍座没有约束这一条件。

基准索股架设时的平衡条件有两种,它们是计算预偏量的依据,不同的平衡条件,计算出的预偏量将会不同。第一种条件是要求索股在鞍槽内不滑动,即要求主缆在主索鞍两端索力相等,每束索股在散索鞍两端索力相等;第二种条件是要求索鞍不滑动或转动,即要求主索鞍两端主缆索力的水平分力相等,散索鞍两端索股索力的轴向分力之和相等。第一种条件调索容易,但随着主缆的架设,塔顶上的不平衡水平力逐渐增大,塔顶逐渐产生偏位;散索鞍虽在主缆架设过程中被临时固定的,但释放后将会发生转动。总而言之,如采用第一种平衡条件,将使架设跨径变化较大,降低了施工精度。第二种条件可确保跨径变化很小 (这种变化是由猫道荷载和温度的随机变化而引起,且不可避免),虽然索鞍两端主缆索力不相等,但索股入槽后,可通过强大的摩擦力来限制滑动,因而可采用第二种条件。

2 猫道荷载的影响

在主缆架设过程中,猫道以三跨分离式锚固在塔顶及锚碇上,其自重荷载以及作用其上的施工荷载,均通过承重索作用在索塔和锚梁上。为减小猫道荷载对主缆架设的影响,猫道设计时要求猫道形成后中、边跨承重索的索力水平分力相等,但由于施工误差和临时荷载的变化,中、边跨承重索的索力水平分力常常不相等,致使塔顶产生偏位,从而影响主缆的架设线形。因此,计算猫道荷载对主缆架设的影响的关键是计算出猫道作用于塔顶的不平衡水平力，将此不平衡水平力引入已架设了部分主缆的整体结构中,计算其对已架设主缆线形的影响。在主缆架设过程中,通过监测猫道的线形来确定猫道对索塔的作用。猫道线形发生变化一般是由温度及临时荷载引起,猫道线形和温度以及临时荷载的分布可以通过测量获得,临时荷载的大小根据实际情况进行统计。主缆缠丝及索夹安装完后,猫道被解除约束,改吊在主缆上,猫道荷载将以均布荷载形式作用在主缆上。由于此时猫道上用于架设主缆的某些临时设施已拆除,须重新计算猫道荷载的集度。

3 温度效应的影响

主缆架设过程中,其垂度对温度变化非常敏感,温度测试方法和温度效应的准确计算对保证主缆的架设精度有极为重要的作用。目前对于温度效应的计算多采用简化计算方法,认为垂度改变量与温度改变量成正比,即:

式中,β为计算系数,对于中跨β=16 n/3,对于边跨β=16 n/(3cos3θ)。实际上,温度改变引起主缆垂度改变的同时,索力也发生改变,升温垂度增加,索力小;降温垂度减小,索力增加。索力的改变又引起弹性伸长的改变。由于边跨垂度较小,索力对垂度的变化更敏感,导致边跨水平分力的变化量大于中跨水平分力的变化量。当索股架设数量足够多时,不平衡水平力将使塔顶产生偏位。因此,温度效应计算时,应计入索力改变引起的非线性效应,可根据无应力长度恒定不变的原理,按悬链线公式计算。

式中,S0为20℃时的无应力长度,且已知;SH为索力引起的弹性伸长;St为温差引起的伸长量。

有应力总长公式又为:S′=2sh(cL/2/c(中跨)及S′=[sh(cL+a)-sha]/c(边跨)，由两者相等可迭代计算出悬链线参数c,再由以下公式:

以上公式中,跨径L包含主缆温度改变引起的塔顶偏位。

4 预偏量和索鞍顶推的实质

基准索股架设之前的预偏量是针对成桥设计跨径的鞍座偏移量,而不是相对于索塔中心的鞍座偏移。预偏量设置的多少不会影响成桥时的跨径,只是影响基准索股的架设标高和架设时的索力。设置预偏量实际上有双重作用,一是减小施工难度,确保架设精度;二是确保索塔的安全。如果不设预偏量或预偏量设置很小,在主缆架设过程中,边跨索力水平分力将远大于中跨索力水平分力,索股在鞍槽内的固定难度大,随着索股的架设,塔顶逐渐偏向边跨侧,塔根弯矩很大,同时主缆的跨径和标高变化较大,无法控制施工精度。如果设置合适的预偏量,可使主缆架设容易且易于控制精度,虽然在吊杆张拉加载过程中,中跨索力水平分力又会逐渐大于边跨索力水平分力,导致塔顶逐渐向跨中偏移,塔根反向弯矩很大,但通过分阶段地顶推鞍座在塔顶上的预偏量,可确保索塔的安全。

在吊杆张拉加载过程中,如果鞍座与塔顶不固接,且鞍座与塔顶之间没有摩擦,鞍座将会自动地逐渐向中跨滑移,而索塔保持竖直状态。实际施工过程中,为防止鞍座克服了摩擦力后,突然地产生大量滑移,鞍座和塔顶是临时固接的。由于索塔具有一定的抗推刚度,塔顶的偏位将稍小于鞍座的自由滑移量,显然,如果索塔的抗推刚度无穷大,塔顶将不产生偏位;如果不计索塔的抗推刚度,塔顶的偏位将等于鞍座的自由滑移量。当计算表明某一吊杆张拉施工段将会使塔顶的偏位量大于允许偏位时,须在下一吊杆张拉施工段加载之前及时地顶推鞍座。随着鞍座的顶推,索塔逐渐恢复竖直,作用在主索鞍上的不平衡水平力逐渐减至零。顶推至索塔恢复竖直所需的顶推量,应等于此阶段鞍座的自由滑移量,由于此阶段塔顶的偏位稍小于鞍座的自由滑移量,所以此阶段的顶推量稍大于索塔的偏位,因此边跨跨径有所增加,中跨跨径有所减小,跨径的变化量即等于顶推量与索塔偏位之差。实际施工过程中,为减少顶推次数,当鞍座顶推至塔顶恢复竖直后,常常继续顶推,直至塔顶偏向边跨侧一定允许值。

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