横向撑杆在空间缆索悬索桥主梁吊装施工中的应用分析*

段瑞芳 白云腾

(陕西交通职业技术学院公路与铁道工程学院1) 西安 710018) (长安大学公路学院2) 西安 710064)

0 引 言

空间缆索悬索桥同时存在竖向与横向垂度，其主缆和吊索形成一个三维索系，这也使其更加的美观.从静力角度讲，在对结构竖向承载能力产生的影响较小的前提下，这种体系可以使得缆索系统的横向承载能力得到比较明显的提高；从动力角度讲，加劲梁与斜吊索组成了一个稳定的三角形，对称斜吊索中的横桥向水平分力夹住主梁，主梁由此得到钟摆般的回复力，整体扭转刚度由此得以提高.这种缆索体系可以有效抵抗桥梁的气动失稳[1].目前，国内外典型的空间缆索悬索桥主要有韩国的永宗大桥[2-3]、美国的奥克兰海湾新桥[4]、天津的富民桥[5]、广州的猎德大桥[6]及杭州江东大桥[7]，这些都是自锚式悬索桥.

空缆状态下的空间缆索悬索桥主缆横桥向位置和成桥状态下的差距非常大；从空缆状态到成桥状态的过程中，与平面索形悬索桥不同，空间缆索悬索桥的主缆及索夹不仅会发生竖向和纵向变位，而且还会发生横桥向位移，这势必伴随着吊索上下端的偏转.但是，索夹耳板和锚箱索导管都是按成桥状态进行预制和安装的，因此，成桥之前吊索两个吊点的连线与索夹耳板轴线或锚箱索导管轴线之间必然会存在横向夹角，当这个横向夹角超限时，吊索在上端或下端会产生很大折角，降低吊索以及索夹的使用年限，甚至于无法安装；同时，主缆的横向位移也会引起主缆在主索鞍出口处的应力集中现象，导致钢丝的受力不均匀问题.

针对以上问题，目前的解决方案主要有两大类：①新型吊杆-索夹法.该方法采用带球铰支座的“空间大角度长调节量吊索”[8]来解决上述夹角问题，采用带内索夹的“可转动索夹”[9]来避免索夹偏心受力所产生的附加弯矩，以此来延长吊索和索夹的使用年限，这种方法在我国首座独塔空间缆索自锚式悬索桥——天津富民桥中得到成功的实践；②临时吊杆法.该方法通过张拉对称的临时吊索，将主缆横向拉到倾斜面，进而得到与成桥状态较为一致的主缆线形.这种状态下，吊索横向倾斜角得到显著减小，对吊索的安装和张拉有利，避免附加弯矩和扭矩.这种方法在我国首座双塔单跨空间缆索自锚式悬索桥——江东大桥中得到成功的实践.

上述方法取得了一定的成功，但也存在着一些不足：①两种方法都需要将吊杆事先锚固在主梁上，可以用于先梁后缆的施工，但在先缆后梁的施工中却无法采用；②新型吊杆需采用下端梁顶连接形式，连接处受到强大的拉应力，其抗疲劳和耐久性值得探讨；③临时吊杆的索力在施工中必然会发生较大变化，从而直接影响主缆线形，因此需要在施工中不断关注及调整临时吊索的索力.

针对上述不足，本文为空间缆索悬索桥给出一种新的解决方法，并成功应用于背景工程中.

1 临时横向撑杆方案

1.1 临时横向撑杆原理

采用临时撑杆将主缆对撑，主缆的空缆状态将由平面线形变化为与成桥状态相接近的空间线形，大大减小了吊索的横向倾斜角，方便吊索上下端的安装插入，有效地避免了主梁吊装过程中吊索的弯折，使得吊索、索夹的使用年限得到了保证.

在主缆的1/4，1/2，3/4处安装临时横向撑杆后，其横桥向线形见图1，与成桥状态的基本吻合，因此，在后续的施工中，可以忽略掉索夹和吊索中微小的横向变位与转动，就只有索夹的纵向和竖向位移了.主梁吊装的整个过程就简化为传统平面索形悬索桥的吊装.临时撑杆的拆除在主梁的吊装过程结束之后进行.

图1 撑杆设计原理图

采用先缆后梁吊装法施工的空间缆索悬索桥，由于吊索长度不变，当空缆时的索夹距下锚点的相对距离比成桥较大时，需要吊机提升主梁段以便吊索下端够得到锚箱索导管，而这必然会导致吊索横向倾斜角的进一步增大，导管口处的吊索不可避免的会出现更大的折角.对于短吊索(跨中)，问题更加严重，由于偏角太大，甚至可能出现吊索无法插入安装的情况.

当采用临时撑杆调整主缆线形之后，索夹的横桥向位置与成桥状态下的位置基本一致，竖向位置与空缆状态下的位置基本一致(临时撑杆自重较小，故其影响基本可以忽略)，吊装时吊机需要把主梁段提升一个空缆与成桥状态的竖向高差，吊索轴线与成桥状态基本平行，与锚箱索导管轴线以及索夹耳板轴线的横向夹角都非常小.

采用本文给出的临时横向撑杆方案，可以有效解决空间缆索悬索桥从空缆到成桥主缆横向偏差较大而引起的吊索安装问题.与已有方法相比，具有以下优点：①一次到位，无需调整.对于临时吊杆方案而言，索力在施工中势必会发生较大变化，而临时吊杆索力的改变不可避免的会对自身的安全及主缆线形造成一定的影响，因此，这种方案在施工过程中得一直考虑临时吊杆索力的大小并不断调整，以满足安全与线形要求.不同于临时吊杆法的柔性约束，本文的临时横向撑杆法是一种刚性约束，横向撑杆从力学上讲属于拉压杆，能够适应体系转换过程中横向力的正负变向而保证主缆的横向约束不变，因此在施工过程中无需调整.②既适用于先梁后缆工艺，也适用于先缆后梁工艺.相比新型吊杆法和临时吊杆法，本方案无需主梁提供下锚点.由于临时撑杆的两端分别只作用于两根主缆，因此对于“先缆后梁”和“先梁后缆”工艺都同样适用.③对吊索与箱梁的连接构造无限制.相比新型吊杆法，本文方法既能适用于锚管穿梁式，也适用于插耳式，无需因考虑空间缆索悬索桥的吊索安装问题，而影响吊索下锚点的传力与连接设计.

1.2 临时横向撑杆设计

据此，本文研究出一种临时横向撑杆，见图2，主要组成部分有主桁架、电机、定位转向轮、钢丝绳和临时索夹.主桁架由三品桁架组成，它是支撑和受力的主要构件.电机位于主桁架顶部，电机牵引钢丝绳进而将主缆从空缆位置拉到成桥位置.钢丝绳与主缆是通过临时索夹以及索夹侧面的锚套来连接的；索夹顶部预留轨道槽，用于主桁架的定位和滑动；主缆到达预定位置后，用锚固螺栓将其与桁架下弦杆进行固定.

除了缆间临时撑杆的安装与拆卸，其余的操作均在猫道上进行，施工安全性可以得到有效的保证.横向撑杆属于拉压杆，需要验算锚固螺栓和主桁应力强度.为了避免撑杆自重对主缆竖向线形的过多影响，应尽量采用轻质桁架.

图2 1/2缆间临时撑杆

临时横向撑杆需要验算主缆拉移状态与主缆锁定状态下的应力与变形.撑杆主桁架需要根据受力按照拉压杆来设计，同时保证锚固螺栓的剪切强度满足规范要求.

2 工程应用

2.1 工程背景

东苕溪大桥(75 m+228 m+75 m)是自锚式空间缆索悬索-斜拉体系.主跨见图3，采用空间缆索悬索桥，矢高等于44.5 m,矢跨比等于1/7；主缆经散索套后散成七根单索锚固于主塔内；吊杆纵向基本间距为6 m.边跨斜拉索纵向间距为10 m，上端锚固于主塔内，下端锚固于混凝土箱梁内.桥塔包括主塔和次塔，均采用钢结构；主塔横桥向是一个整体拱形结构，后仰20°；次塔柱不参与结构的受力，只是构造和美学需求.主梁采用钢—混凝土混合梁，中跨为双主梁钢箱梁，边跨为同外形的预应力混凝土箱梁，梁高3 m，箱梁全宽41.6 m.

该桥为半漂浮体系，桥塔处安装双向滑动支座和抗风支座各两个.过渡墩主梁侧安装双向、单向支座各一个.

桥塔基础采用矩形承台.承台截面尺寸20.6 m×13.2 m、厚度3.5 m，每个承台下设15根直径2.00 m的钻孔灌注桩.过渡墩采用墩身截面为倒圆角的矩形实心墩，承台下设四根钻孔灌注桩.

图3 东苕溪大桥整体布置示意图

该桥空缆状态下的主缆为平面缆索，主缆横桥向相隔16.02 m，成桥状态下的主缆为空间缆索，主缆跨中横桥向相隔31.364 m，主缆跨中横桥向位移值为7.672 m.空缆状态下满足吊装要求的吊杆最小横向倾角，其最大值高达59.1°；而对于跨中区域吊杆，采用“先缆后梁”主梁吊装工艺时，受限于吊杆长度，即使横向倾角达到90°，即吊杆水平放置，其下端也无法够到锚箱索导管，也无法完成主梁吊装.

由于所跨航道繁忙，常用的“先梁后缆”施工方案无法实施.综合考虑后，选用先缆后梁施工方案.主要施工工序如下：①现浇边跨混凝土箱梁和钢-混接合段，转体施工桥塔，安装主缆、索夹、斜拉索；②吊装中跨主梁D，C，B16，B15节段，再依次吊装A，B1～B5节段，再吊装B14～B7节段，最后吊装合拢段B6；③解除塔梁临时连接进行体系转换，焊接合拢段环焊缝.④拆除边跨混凝土箱梁支架，桥面系施工，成桥.

临时撑杆采用900 mm×1 500 mm的贝雷梁，长度34.12 m，质量10 t左右.实际工程中，三根撑杆的安装时间是在挂吊索之前，猫道改吊之后.梁段B14，B13吊装结束后，拆掉三根撑杆即可.

2.2 横向撑杆对夹角的影响分析

图4为在空缆状态和撑杆状态下，主梁满足吊装要求时，吊杆的最小横向倾角.图4中的成桥倾角，指的是吊索在成桥状态下的横桥向倾角，即为索夹与箱梁索导管的横向倾角，范围为10.0°～12.1°.

图4 吊点横向倾角

由图4可知，空缆状态下满足吊装要求的吊杆最小横向倾角，其最大值高达59.1°，这一方面是由于空缆与成桥的横桥向线形差别较大，另一方面是因为主梁吊装过程中受限于吊杆长度，需要吊机提高主梁段以便吊索下端够到锚箱索导管，这一过程势必引起吊索横向倾斜角的再次增大.尤其是对于12#～26#吊杆，即使横向倾角达到90°，即吊杆水平放置，其下端也无法够到锚箱索导管，也无法完成主梁吊装.可见，直接在空缆状态下吊装主梁，不仅会使得吊索在导管口出现严重弯折，而且将无法吊装跨中区域梁段.

相比而言，撑杆状态下的吊杆横向倾角为10.6°～16.1°，与索导管及索夹的最大偏角为4.0°，而改进后的吊索能适应土6°的转角，完全可以保障主梁顺利吊装.

图5为梁段吊装过程中吊索的上下锚点连线的横向倾角变化图，由图5可知，①在吊装过程中，对称吊索的上下锚点连线的横向倾角大小基本相同.在吊装B6西梁段后，东西两侧的吊索上下锚点连线的横向倾角有差值，但差值不大，在±0.6°以内，可以忽略.②由于东、西撑杆并非同时拆除，在吊装完B5梁段后拆除东撑杆，吊装B14，B13梁段，再拆除中、西撑杆，使得吊装B14，B13时，对称吊索上下锚点连线的横向倾角出现差值，西侧倾角较东侧稍小，差值分别在0°～2°，0°～1.7°，从西向东对称吊索横向倾角差值成先增大后减小趋势，B5梁段对应的14#与24#吊索的上下锚点连线横向倾角差值达最大，分别为2°和1.7°.

2.3 横向撑杆受力分析

由于东、西临时撑杆处于对称位置，故其随着主梁的吊装施工，受力基本相同，整个施工过程均受压力，峰值284 kN.在D，C，B16，B15东、A的吊装中，中撑杆受压力，峰值262 kN；在之后的工作阶段中均受拉，峰值-226 kN.因此，撑杆的力学简化模型为拉压杆.

图5 各种型号吊索横向倾角变化图

临时撑杆主缆拉移状态最大应力为112 MPa，最大位移为16 mm，见图6；临时撑杆主缆锁定状态最大应力为146 MPa，最大位移为19 mm，见图7，均满足规范要求，三根撑杆施工中安全、可靠.

3 结 论

1) 临时横向撑杆法可以有效解决采用主梁吊装施工的空间缆索悬索桥，主缆从空缆到成桥线形横向偏差较大而引起的吊索安装问题.

图6 临时撑杆拉移状态计算结果

图7 临时撑杆锁定状态计算结果

2) 横向撑杆需要按照拉压杆进行设计与验算.

3) 临时横向撑杆法既适用于先梁后缆工艺，也适用于先缆后梁工艺.相比临时吊杆法，其在施工过程中无需调整，不对体系转换方案造成影响.