混凝土自锚式悬索桥吊索张拉方案与控制研究

虞冬冬

(常州市金坛区公路管理处，江苏 常州 213200)

混凝土自锚式悬索桥吊索张拉方案与控制研究

虞冬冬

(常州市金坛区公路管理处，江苏 常州 213200)

混凝土自锚式悬索桥吊索张拉是其体系转换过程中最复杂的施工工艺，也是区别于地锚式悬索桥的一个施工控制难点。结合实际工程采用有限元分析软件Midas/Civil对混凝土自锚式悬索桥吊索张拉进行了理论分析，研究了张拉过程中吊索的力学特性，并提出了施工过程中如何控制主缆的线形、加劲梁的线形、索鞍顶推量和吊索力，大幅度地提高张拉的效率精度，为此后同类桥梁施工提供参考。

混凝土自锚式悬索桥；吊索张拉；张拉方案；控制研究

混凝土自锚式悬索桥在吊索张拉过程中主缆会产生较大的线形变化，在施工初期主缆严重偏离最终的成桥线形，当主缆逐渐承担起全桥的恒载时，缆索线形又会趋于理想线形，吊索张拉就像在缆索上逐步加非均匀荷载，因此吊索应力及其它各个控制因素在吊索张拉中会有较大的变化[1]。要将变化控制在允许误差范围内以避免在施工中构件产生破坏。

1 工程概况

山东聊城徒骇河大桥主桥采用三跨双塔双索面自锚式悬索桥，主桥跨径组合为53m+112m+53m=218m。加劲梁为现浇预应力混凝土双边箱截面，每侧边箱采用单箱三室形式，两个箱梁通过内侧悬臂及横梁连接为一整体。主缆锚固区的端锚段采用变高度截面外，其余均为纵向等高度截面。纵向5m间距设一道横梁，横梁断面采用矩形。箱梁采用纵、横向预应力体系，横向预应力布置于横梁中，纵向预应力布置于腹板当中。桥塔由主塔和副塔组成，为单独门形框架，主塔桥面以上高度为45m(含塔尖)。副塔不参加受力，为装饰塔。徒骇河大桥主缆共2根，主缆采用对称布置，成桥状态下主缆跨度112m，矢跨比为1/5.276，边跨矢跨比为1/12.965，两主缆缆心横向间距为31.7m。全桥吊索共37对74根，两边跨各8对，主跨21对，吊索标准间距5m，靠近主缆锚固端处4根吊索采用40Cr刚性吊杆，其余吊索采用单根127～139丝φ7.1mm高强镀锌钢丝组成的成品钢丝索。

桥型立面图如图1所示。

2 吊索张拉计算及张拉方案

2.1 吊索张拉计算

吊索张拉过程中存在各种因素的影响，如吊索张拉对其余吊索力的影响；鞍座的滑移和顶推过程对结构的影响；主缆的初始线形、吊索的下料长度的影响；另有施工限制因素影响，如吊索的承载力、张拉设备的数量和能力、主梁和主塔的承载力等因素，这些因素互相影响，使得吊索张拉过程的计算相当复杂[2]。为了研究本桥吊索张拉过程中的受力及变形情况，采用Midas/Civil建立全桥有限元模型，如图2所示。通过多次反复调整主缆和吊索的初应变，使加劲梁和索塔的弯矩比较小，同时兼顾跨中及塔顶位移，达到合理成桥状态，再通过倒拆计算得空缆状态[3]，从而获得吊索张拉的初始状态及主索鞍预偏量。

徒骇河大桥使用的主要材料特性及构件单元分类见表1所示。

图1 徒骇河大桥立面图及横断面图

构件名称材料单元类型弹性模量(MPa)容重(kN/m3)泊松比主梁C50混凝土梁单元3.45E+0425.00.2主塔C40混凝土梁单元3.25E+0425.00.2主缆高强镀锌钢丝索单元2.05E+0578.50.3柔性吊索高强镀锌钢丝索单元1.95E+0578.50.3刚性吊索40Cr索单元2.05E+0578.50.3

图2 Midas/Civil建立成桥模型图

2.2 张拉方案

为了方便张拉和减少张拉次数，并保证张拉质量，通过计算分析比较，本桥采用了“标线法”、先顶推索鞍后张拉和主跨主动张拉边跨被动张拉的方法进行吊索张拉。张拉分四步实现，其中张拉方案吊杆编号见图3所示，具体方案如下：

(1)第一轮张拉：吊索力目标值为0.35F(F为设计成桥吊索内力)；

(2)第二轮张拉：吊索力目标值为0.72F；

(3)第三轮张拉：吊索力目标值为0.92F；

(4)吊索力校订：全桥吊索力采用千斤顶校正，对索力误差超过第三轮目标索力6%的部分吊索进行调整；拆除满堂支架；

(5)第四轮张拉：吊索力目标值为F，该轮采用施加二恒的方式实现。

2.3 张拉实施过程

2.3.1 第一轮张拉(初张拉)

由于初张拉阶段缆索体系的几何非线性表现的会非常显著，为了准确达到初张拉的目标值，本轮采用“标记线”控制法[4]，即使用吊索上标记线长度作为此轮张拉控制标准，提高操作舒适度，方便复核。“标记线”法与传统的“锚头外露量”法本质相同，都是位移控制方法。“标记线”标记于吊索索身上，避免了锚头外露测量过程中因仰视光线不足等造成的误差，此外还便于监控、监理部门对张拉结果进行复核，保证了施工精度。徒骇河大桥北侧吊索标记线距吊杆桶顶长度见图4所示。

第一轮张拉具体步骤见表2所示。

图3 张拉方案吊杆编号

步骤张拉吊杆步骤张拉吊杆1-14#、5#塔主鞍座分别向跨中顶推8.6cm和7.1cm1-2DS8、DS9、DS29、DS301-3DS7、DS10、DS28、DS311-4DS6、DS11、DS27、DS321-5DS5、DS12、DS26、DS331-6DS13、DS251-7DS4、DS14、DS24、DS341-8DS3、DS15、DS23、DS351-9DS16、DS221-10DS2、DS17、DS21、DS361-11DS18、DS201-12DS1、DS37、DS19

图4 北侧吊索标记线距离吊杆桶顶长度

图5 北侧主缆初张拉阶段后线形变化

由于初张拉阶段是由空缆状态到初张拉目标状态，且主缆有较强的几何非线性，故主缆线形变化较大。北缆初张拉阶段主缆线形变化值见图5所示。从图中所列数据可以看出，首轮张拉结束后，相对于空缆线形，边跨的上升变化量较小，不很明显。而在初张拉之后中跨线形下降较为显著，线形变化满足要求。

2.3.2 第二轮张拉(位移控制阶段)

由于位移控制过程中主缆仍然会呈现出明显的几何非线性特征，为了避免线形变化过大，故在张拉过程中应保证两侧吊索同步张拉。在第一轮初张拉后边跨吊索力均已到达设计成桥位置，因此本轮阶段张拉仅中跨吊索，并通过顶推索鞍达到对边跨吊索被动增长索力。此轮张拉的步骤见表3所示。

表3 第二轮张拉步骤表

①吊索索力变化

在位控过渡阶段主要考察随着缆索系统刚度提升吊杆力相邻性原理是否成立。图6～图11给出了该阶段12个施工步骤实施过程中的部分索力变化情况。

根据索力变化图可以得到如下结论：首先，混凝土自锚式悬索桥张拉过程中吊杆力相邻性原理成立，吊索张拉过程中对其相邻两根吊索，尤其是高程较低位置处的吊索影响较大[5]；其次，鞍座顶推后边跨索力上涨明显，且边跨不同吊索索力上涨幅度相近，说明“被动张拉”方案有效；最后，位控过渡阶段步骤10的张拉索力已接近成桥设计索力，施工过程中的索力不宜超过成桥设计索力的120%，因此，下轮张拉过程中需以控制张拉索力为要点。

图6 步骤2结束后吊索索力

图7 步骤4结束后吊索索力

图8 步骤6结束后吊索索力

图9 步骤8结束后吊索索力

图10 步骤10结束后吊索索力

图11 步骤12结束后吊索索力

②主缆位移特性分析

确定张拉完主缆线形位置与初张拉结束后线形的对比，北侧主缆线形变化具体见图12，由图可见徒骇河大桥主缆经过位移控制阶段的张拉，线形变化与上一轮初张拉相似，边跨主缆比初张拉后的位置变化不是很明显，微有上升，中跨主缆较初张拉线形标高有所下降，说明徒骇河大桥此轮张拉主缆线形变化正常并达到了预期效果。

图12 北侧主缆位控过渡阶段主缆线形变化

2.3.3 第三轮张拉

第三轮张拉是实现体系转换的关键阶段，本轮张拉的主要目标是进一步增加吊索的内力，使得拆除支架完成二期恒载铺设后的吊索力与设计成桥吊索力能够较好地吻合，同时主梁及主缆线形也能够达到设计的成桥线形[6]。本轮张拉跟第二轮张拉顺序一致，仅张拉中跨吊索，边跨各吊索为被动增加吊索索力。此轮张拉的步骤见表4所示。

表4 第三轮张拉步骤说明表

①吊索索力特性分析

该阶段吊索索力的变化规律与位移控制阶段的索力变化规律相似。部分步骤结束后吊索索力值具体见图13～图18所示。同时，当进行单根吊索张拉时相邻吊索内力比进行两两吊索张拉时的相邻吊索内力增强很多。因此，两根吊索张拉方法能很好的对相邻吊索索力进行削弱。此轮张拉完成后，加劲梁下部已脱离底模，该桥体系转换已基本完成，待吊索索力校订后便可以进行支架拆除工作。

图13 步骤2结束后吊索索力

图14 步骤4结束后吊索索力

图15 步骤6结束后吊索索力

图16 步骤8结束后吊索索力

图17 步骤10结束后吊索索力

图18 步骤12结束后吊索索力

②主缆位移特性分析

经过前两轮吊索张拉后，本轮缆索体系刚度较大，主缆几何非线性特征明显弱化。吊索张拉完成后主缆的线形标高与位移控制阶段结束后主缆的位置进行差值对比分析，差值见图19所示，从表中可以看出该阶段张拉后，边跨主缆跟上一轮一样仍向上移动，中跨主缆标高也同样变低，说明徒骇河大桥第三轮张拉主缆变化正常且达到预期要求。

图19 北侧主缆第三轮张拉阶段主缆线形变化

2.3.4 吊索力校订阶段

经过前面三个阶段的张拉后，吊索索力基本上接近目标值，但在桥梁结构施工和张拉过程中难免会产生些误差，对于部分未能达到要求的索力，故要在第三轮张拉完后要进行吊索力的校订，校订仍使用千斤顶张拉吊索的初动油压得到吊索力，并将吊索力与目标值对比，对比误差范围应在±6%以内，若超出这个范围便要对该根吊索索力进行微调，直到符合要求为止。

2.3.5 支架拆除和施加二恒

支架拆除后全桥吊索索力出现小幅下降。主要因为，支架对主梁变形起一定的约束作用，若要使加劲梁发生变形需提供更大的吊索力，支架拆除后，主梁约束条件减小，吊索索力将更接近单位间距内加劲梁实际重量。

施加二恒纯被动张拉，即采用施加二恒的方式对吊索进行被动加力，以使各吊索达到预期拟定的目前成桥索力。第四轮张拉步骤见表5。

表5 第四轮张拉步骤说明表

4 结 语

本文结合山东聊城徒骇河大桥施工控制项目，采用有限元分析的方法确定吊索张拉的施工控制方案，即：第一，初张拉中，为不产生边跨空缆线形低于成桥线形的现象，采用先顶推主索鞍后张拉吊索方法。第二，位控过渡阶段，使用了主跨主动张拉，边跨被动张拉的方法提高张拉效率。第三，可以通过3轮吊索张拉完成调混凝土自锚式悬索桥调索工作，第一轮张拉以位移控制，第二轮张拉以位移和张拉力双控，最后一轮张拉应以吊索力为主要控制。对各个阶段的关键参数控制分析，发现此方案可以大幅度地提高张拉的效率精度，达到理想的成桥状态。

[1]朱建甫．自锚式悬索桥吊索安装施工控制研究[D]．成都：西南交通大学，2008.

[2]谭冬莲．大跨径自锚式悬索桥合理成桥状态的确定方法[J]．中国公路学报,2005，24(3):11-12.

[3]王雷,李传习．大跨度悬索桥主缆线形及内力计算方法研究[J]．安徽建筑工业学院学报,2011，64(3):10-14.

[4]李建慧,李爱群．自锚式悬索桥体系转换标记线控制法[J]．桥梁建设,2013，13(5):7-41.

[5]刘厚军,刘钊．自锚式悬索桥吊索张力及主缆线形的设计研究[J]．土木工程学报,2008,41(3):79-83.

[6]柯红军．广州猎德大桥体系转换施工方法的确定及实施[J]．桥梁建设,2010，32(2):80-83.

Concrete Self-anchored Suspension Bridge Cable Tensioning Schemes and Control Research

YU Dong-dong

(Highway Administration Department of Jintan District of Changzhou，Changzhou 213200，China)

A construction control of Suspension Bridges by anchor is different from the difficulties of suspension bridges by anchor.in this paper，on the basis of practice，combined with practical engineering using finite element analysis software Midas/Civil，concrete self-anchored suspension bridge cable tensioning has carried on.The theoretical calculation analysis，studied the concrete since the anchor sling tension in the process of mechanical characteristics of suspension bridges and sling tensioning process.Since the anchor and put forward the concrete suspension bridge construction process，how to control the line shape of the main cable，stiffening beam line，rope sling and quantity of the saddle pushing force，greatly improve the efficiency and the precision of the tensioning，provide a reference for later similar bridge construction.

the concrete anchor suspension bridge；sling tension；tension；control research

2015-07-25

虞冬冬(1989 -)，男，江苏常州人，硕士，E-mail：760576181@qq.com。

U448.25 ?

A ?

0.3969/j.issn.1671-234X.2015.03.003

1671-234X(2015)03-0010-07