大跨径悬索桥索股架设时锚跨张拉力控制研究

2013-01-18胡玉珠赵培英李慧君

山西建筑 2013年27期

胡玉珠赵培英李慧君

(1.中国中铁二院土建一院，四川成都 610031;2.成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川成都 610021)

0 引言

本文以珠江黄埔大桥南汊悬索桥为例，对大跨径悬索桥索股架设时锚跨张拉力的施工控制进行分析。珠江黄埔大桥为主跨1 108 m的单跨钢箱梁悬索桥，主缆分跨为(290+1 108+350)m，中跨为悬吊结构。主缆矢跨比为1/10，采用预制平行钢丝索股(PPWS)，每根主缆中，从北锚碇到南锚碇的通长索股有147股，北边跨另设6根背索，南边跨另设2根背索，均在主索鞍上锚固。

悬索桥的施工控制以主缆的施工控制最为关键，主缆的施工控制是通过对中边跨的主缆线形(无应力长度)控制和锚跨的张拉力控制实现的，虽然锚跨在悬索桥整个结构中只占很小一部分，但作为主缆的锚固体系，直接影响到主缆的线形和受力。如果对锚跨张拉力控制不合理，可能会出现各种不良后果，如索股受力不均匀，会使部分主缆受力过大，影响主缆索股的安全，降低主缆整体的安全系数，也可能导致索股在鞍槽内的滑动;锚跨无应力长度的变化会影响散索鞍偏位，并影响最终成桥之后主缆和桥面线形，以及主缆的受力。

锚跨的施工控制表面上是以张拉力为控制目标，实际上是以锚跨索股的无应力长度为目标，即实际的锚跨索股无应力长度等于成桥状态的理论长度，也就是保证散索鞍在设计状态。是否在索股架设阶段就使无应力长度达到设计值，还要考虑散索鞍两侧的索力差值是否会造成索股滑动，就不得不考虑到温度变化对索力差值的影响以及索股与散索鞍的摩擦力等因素。

本文将综合考虑成桥状态、温度变化、索股摩擦力等因素，找出索股架设时合理的锚跨力分布模式，以及散索鞍的固定形式及释放时机。

1 索股与散索鞍的摩擦力

散索鞍两侧索股张拉力不同时，索股会产生向索力大的一边滑动的趋势，产生摩擦力，当索力差值大于摩擦力时，索股会产生滑动，从而影响施工架设精度和施工安全。主缆抗滑验算图式见图1。

公路悬索桥设计规范有如下规定:

鞍槽内主缆抗滑安全系数应满足式(1)的要求。

其中，μ为主缆与槽底或隔板间的摩擦系数，一般取 μ=0.15;关于μ的取值，华盛顿桥(George Washington)实际测试的情况，认为μ可取0.2;αs为主缆在鞍槽上的包角，rad;Fct为主缆紧边拉力，N;Fcl为主缆松边拉力，N。

根据式(1)对黄埔大桥索股进行分析，结合散索鞍的构造形式αs≤0.734，减去最大值，由于边跨索股的跨度和矢高相差很小，可以近似取相同值345 kN，当施工阶段k值取1时，可得到:

由此可见，单纯的索股摩擦力最大不过54.5 kN。当锚跨张拉力值不在以上范围时，应采取额外的固定措施。

图1 主缆抗滑验算图式

2 温度变化对锚跨和边跨索股张拉力影响

温度变化会引起索股长度的变化，边跨索股长度变化将引起索股垂度的变化，进而影响索股拉力的变化，锚跨索股长度的变化将引起桥索股拉力的变化。根据文献［1］的论述，把索股近似看做抛物线，得到索力水平分力ΔH和温度变化量Δt的关系如下:

其中，l为跨度;f为矢高;q为自重转化的均布荷载;α为线膨胀系数;s为索长。从式(2)可以看出，由于l/f的巨大差值，单位温度引起的水平力变化锚跨明显大于边跨。

如果把从与散索鞍的切点到锚点的索股看做直杆，温度变化引起的索股张拉力变化值为ΔT=EAαΔt，E为弹性模量，A为索股净截面面积，α为线膨胀系数，索力变化与温度变化满足线形关系。索鞍内索股编号见图2。

本文根据文献［2］提出的悬索桥精细解析方法，对珠江黄埔大桥左锚跨的部分索股力温度效应进行计算，结果如下:

由图3，图4可以看出，散索鞍固定时，温度增加10℃，锚跨索力减小63 kN左右，边跨索力减小仅有2 kN左右，索力差值60 kN左右。悬索桥索股为减少温度对调索精度的影响均为夜间调索并锚固，珠江黄埔大桥索股架设期间，夜间温度25℃左右，白天最高气温40℃左右，温度差15℃，索力差在90 kN左右，单纯的索股摩擦力不能抵抗温度力差值。

3 合理的锚跨索股力分布模式

文献［3］提出两种成桥状态理想的锚跨力分布模式:1)成桥状态各索股各自满足对散索鞍的平衡条件;2)成桥状态锚跨各索股在与散索鞍的切点处索力相等;并论证了两种索力分布模式得到的索力相差很小，都是合理的成桥状态分布模式。作者在文献［4］中对珠江黄埔桥的分析也验证了这一点。文献［3］又根据散索鞍固定和自由两种形态，结合两种模式分为以下4种模型(见表1)，以这四种模型计算索股架设时的索股张拉力。

图2 索鞍内索股编号

图3 散索鞍固定时锚跨索力与温度力关系

图4 散索鞍固定时边跨索力随温度变化曲线（拟合曲线）

表1 计算模型描述

两种模式，四种模型均是以锚跨无应力长度与成桥状态相等为前提，所以索股架设完成时，自由与固定模型锚跨力相同，模式一与模式二相差不大，且锚跨力均以下层大上层小的形式分布。

在架设初期，下层索力较大，加之散索鞍的自重影响，当散索鞍自由时，索鞍将向锚跨转动，影响索股架设的精度及施工安全。由于索鞍位置处于易变状态，给调索带来很大困难，可见散索鞍保持自由只是理想状态，故模型A和模型C不是合理的锚跨力控制模型，本文不再进一步论述。因为模型D与模型B在索股架设时锚跨力分布模式相似且相差不大［3］，本文仅就模型B进行讨论。图5为珠江黄埔大桥左锚跨根据模型B分析得到的锚跨张拉力，其中数值较大的为下层索股。

由图5可以看出，下层索股张拉力大，向上逐渐减少，这与散索鞍在后期的转动趋势是相符的。其中最大索力将近440 kN，底部几排索股锚跨张拉力均比边跨大，索股均有向锚跨滑动的趋势，在不采取其他固定措施的情况下，部分索股将产生滑动。

图5 模型B索股架设张拉力

图6 模式三索股架设张拉力

随着索股的架设，索鞍支架将承受巨大的不平衡弯矩，增加施工的风险，在架设中期释放散索鞍也很困难。可见模型B也不是合理的锚跨力分布模式。

本文提出另一种索股架设锚跨力分布模式三:索股架设时各索股各自满足对散索鞍的平衡条件;图6为根据此模式所得的锚跨张力，可以看出索力分布比较均匀，散索鞍在设计温度下达到自平衡状态。在模式三的锚跨力分布下，散索鞍固定时，索股摩擦力只需抵抗温度变化引起的索力差值即可，散索鞍自由时，索股的自然摩擦力即能满足索股在索鞍内的固定。因此选择散索鞍的固定形式和释放时机对索股的固定十分重要。

4 散索鞍的固定形式及释放时机的选择

前期几根索股(尤其是基准索股)架设时，为保证架设的精度和安全性必须固定散索鞍，散索鞍固定时，索股在较低温度时架设，即使采用模式三比较均匀的索力，在温度升高时仍会产生较大的不平衡力，需要使用木楔挤压索股增大摩擦力，或在索鞍处安放竖向千斤顶，通过设置在索鞍上的反力架对索股施加压力，来增加索股与鞍槽、索股与索股之间的摩阻力，从而达到锚固作用。

当前几根索股架设完成，根据边跨及锚跨的力学特性可知，散索鞍向边跨转动难度远大于向锚跨转动，此时可释放散索鞍向边跨转动的约束，在后期索股架设时，可保持散索鞍的稳定性，同时在白天温度升高时散索鞍可自由向边跨转动，从而释放温度力，方便了后期架设索股在散索鞍处的固定。

当索股架设完成1/4左右，即可完全释放散索鞍，此时散索鞍的转动刚度很大，索股架设对索鞍的转动影响很小，索股张拉力和主缆线形受索鞍的转体影响很小，同时也释放了散索鞍两侧的温度力差值。

所以散索鞍经历了固定→单侧固定→完全释放的过程。