单跨悬索桥主索鞍顶推施工控制研究

(重庆市市政设计研究院 重庆 400020)

单跨悬索桥主索鞍顶推施工控制研究

李国强

(重庆市市政设计研究院重庆400020)

悬索桥在施工过程中,要求主缆的索股在索鞍中不发生相对的滑移,以免主缆的索股受到磨损。这使得在加劲梁吊装过程中，主塔会发生很大位移。为了确保悬索桥的主塔在加劲梁吊装过程中始终处于安全受力状态，合理确定主索鞍顶推量和顶推阶段至关重要。以重庆寸滩长江大桥为工程背景，提出了一种通过有限元模型模拟索鞍顶推过程的方法，实现了索鞍顶推时机、顶推力大小及顶推量的同时求解。

悬索桥；索鞍顶推；反力架；顶推力

主索鞍是塔顶承受主缆的主要构件，在悬索结构施工控制中，鞍座顶推起着重要作用。加劲梁吊装施工中索塔的理想状态是只承受偏心竖向压力，无偏位，这只有鞍座在塔顶可以自由滑动时才能达到。在实际加劲梁吊装施工时，鞍座如果纵向无约束，可能会克服摩擦力，出现大幅度滑移，因此在施工过程中鞍座通常与塔顶做临时固结。但随着主跨吊装梁段数增加，中跨荷载与边跨荷载差值越来越大，中跨侧与边跨侧主缆水平分力差值也越来越大，边塔和边塔鞍座向中塔侧偏移，导致边塔塔底岸侧压应力逐步减少甚至出现拉应力，跨中侧压应力不断增加。为避免塔底不出现拉应力，需要在主梁吊装过程中对塔顶主索鞍进行顶推。

一、工程概况

寸滩长江大桥位于重庆机场专用快速路工程南段，全长1.6km，里程桩号范围k2+600～k4+200，为城市快速路，设计速度80km/h，双向八车道，包括跨江主桥和南北引桥两部分，跨江主桥为主跨880m的单跨悬索桥，桥面宽度38m，南北两岸引桥总长720m。

悬索桥采用有限元软件分析时要根据研究目标来建立相应精度的模型，本模型采用设计计算通用有限元分析软件Midas/Civil 2015。该模型由633个单元组成，其中含有节点683个。采用33个施工阶段对整个施工过程及钢箱梁吊装过程进行模拟，计算解得了各个施工阶段的内力、位移以及应力结果。

二、顶推分析的计算

(一)主索鞍顶推的原因

悬索桥空缆状态时主缆内力相当于成桥状态主缆内力减去吊索、加劲梁荷载引起的内力，中跨减小多，边跨减小少，如果结构跨度不发生变化，空缆状态时边塔两侧主缆内力水平分量差必然很大，不平衡分力就会由边塔变形来消除，可能导致以下后果：

(1)不平衡力导致桥塔偏位和桥塔塔底弯矩很大，这种状况对于混凝土高耸结构的桥塔是非常危险的；

(2)不平衡力可能导致主缆克服鞍槽内的摩擦力滑动，主缆架设精度难以保证；

(3)鞍槽摩擦将不平衡力从主缆传递至索鞍，保证索鞍在桥塔上不发生滑动需要的索鞍限位装置要求较高，增加施工难度，提高造价。

基于以上原因必须尽量减小主缆不平衡力，而悬索桥主缆内力受跨度影响很大，因此悬索桥施工中通过在边塔索鞍设置预偏和索鞍顶推的方式来改变跨度，进而改善主缆内力，使桥塔偏位和塔底弯矩在控制范围内。

(二)索鞍预偏量计算原则

对悬索桥鞍座顶推量与顶推时间是否选择恰当，主要应验算桥塔塔底的应力以及主缆在鞍槽内的抗滑移安全系数。

对于混凝土桥塔塔底应力验算，文献[1]指出:对于混凝土桥塔塔底应力的控制，一般采用截面不出现拉应力且压应力小于0.5倍的轴心抗压强度标准值;但对于施工短暂状况，可考虑将不出现拉应力的条件放宽到拉应力不大于0.7倍的轴心抗拉强度标准值。文献[2]指出桥塔截面应保持一定的压应力，以避免施工过程中因偶然荷载或突发情况导致应力减少至0，甚至出现较大拉应力。可见目前对塔底应力的控制没有统一的标准。严格控制塔底不出现拉应力，必将增加顶推次数，施工较繁琐;若放宽限制容许塔底出现较大拉应力，则在风荷载、温度梯度、施工临时荷载等不确定性荷载的作用下，可能危及桥塔的安全。从施工方便和安全性综合考虑，混凝土桥塔塔底应力按照不出现大于0.5MPa的拉应力且压应力小于0.50倍的轴心抗压强度来控制为宜。

(三)顶推过程的有限元模拟方法

加劲梁吊装过程中，由于主索鞍与塔顶临时固结，随着加劲梁吊装施工的进行及中跨荷载的增加，主索鞍跟着主塔移动，移动量与塔顶纵向位移量相同。在主索鞍顶推施工过程中，由于主缆的刚度远远大于主塔的抗推刚度，因此在顶推过程中主索鞍与主缆的相对坐标并没有发生变化，而索塔中心的绝对坐标发生变化。从实际结果来说，主索鞍并非是被“顶推”向中跨，而是从中跨被“拉”回到原竖直位置。在不计索塔水平抗推刚度的情况下，塔顶的偏位等于鞍座的自由滑移量。

本文为了在有限元软件中模拟这一施工过程，在模型中加入了一个刚性杆，分别与主索鞍及主塔塔顶刚性连接，如图1所示。刚性连杆的刚度比主缆系统水平刚度大3～4个数量级，并通过升温作用产生的杆长变化约等于其自由伸缩量。这样一来，顶推时可控制位移，非顶推时可实现锁定，同时可查看连杆内力。通过这种方法，实现主索鞍在施工阶段顶推的全过程模拟。同时得到主塔塔偏变化、塔底应力变化、索鞍偏心竖向荷载传递及索鞍顶推期间相对位移控制情况。

图1 主索鞍顶推模拟

三、结论

本文以寸滩长江大桥为案例，通过索鞍顶推精细化分析得到一些有意义的结论，小结如下。

(1)本文使用的有限元软件主索鞍顶推过程模拟方法，实现主索鞍在施工阶段顶推的全过程模拟。同时得到主塔塔偏变化、塔底应力变化、索鞍偏心竖向荷载传递及索鞍顶推期间相对位移控制情况。

(2)索鞍顶推的实质其实就是控制塔顶位移，顶推时序的确定应抓住桥塔的水平力变化规律来设置。

(3)在加劲梁吊装初期,主索鞍的自由滑移较快,而索塔的容许水平偏位相对吊装后期却较小,因此相应地顶推的间隔时间较短;在吊装后期,自由滑移较慢,索塔的容许水平偏位也较大,相应的顶推的间隔时间较长,每次的顶推量也较大。反映了后期梁段的吊装对主缆刚度的影响越来越小。

[1]孙胜江，姜军.悬索桥索塔容许偏位及主索鞍顶推分析[J].公路，2007，10:54-57

[2]何为,项贻强，徐兴.悬索桥施工中索鞍顶推的小步快跑原则[J].浙江大学学报(工学版)，2007，41(1):134-138

[3]沈锐利.悬索桥主缆系统设计及架设计算方法研究[J].土木工程学报，1996，29(2):3-9

李国强(1990-)，男，重庆巴南区人，重庆市市政设计研究院，主要从事市政桥梁设计工作。