独塔非对称自锚式空间悬索桥体系转换

黄子能，李 珊，牙举鹏

（柳州欧维姆机械股份有限公司 柳州市 545005）

自锚式悬索桥是将主缆直接锚固在加劲梁上，从而取消了庞大的锚碇。它继承了地锚式悬索桥造型优美的特点，又具有造价低的优点，为在城市空间受到限制或不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种好的解决办法。

目前，自锚式悬索桥已由平面缆索结构向空间缆索结构方向发展。空间缆索悬索桥的主缆吊索均呈空间线形，并形成了一个三维缆索结构体系，其具有以下的优点：缆索系统的横向承载能力得到显著提高，从而提高了整个桥梁的横向刚度和抗扭刚度；空间缆索悬索桥的结构更加稳定、造型更加优美。近年来，自锚式空间悬索桥得到不错的发展，比较典型的悬索桥，国外有韩国永宗大桥和奥克兰海湾大桥；国内有松原天河大桥、天津富民桥和杭州江东大桥。

1 工程概况

太原市通达街汾河桥位于太原城市南部的汾东新区，是太原城市南部沟通城市东西区域的重要桥梁。该桥为独塔非对称自锚式空间悬索桥，主桥分为主跨和边跨，跨径布置为208m+133m，桥梁布置图见图1。

该桥共设两根主缆，采用PPWS法编制，单根主缆由37股PPWS5.7-127索股组成。两根主缆为空间缆索结构，在塔顶索鞍处间距为20m，逐步过渡至散索点处的间距为46m左右。主跨设置20对吊索，边跨设置13对吊索，为非对称结构。吊索采用Φ7-109冷铸锚平行钢丝索体，钢丝强度为1770MPa，吊索的破断力为7425kN。吊索上端与索夹连接的叉耳设置有可适应±8°转动的关节轴承，下端锚具采用球形支座和球形螺母结构，与钢箱梁锚固。吊索的结构可适应横桥向、顺桥向的双向转动，有利于空间悬索桥体系转换的实施。

2 施工特点及难点

自锚式悬索桥是依靠加劲梁来传递主缆的水平力，由于其独特的受力特性，在施工控制过程中的受力比较复杂，一般采用“先梁后缆”的施工方法：施工时，加劲梁要在主缆架设之前先连接为整体，并支承于支架上，再进行主缆的架设。待主缆的垂度调整至空缆线形后，安装并张拉吊索，同时进行索鞍顶推，完成悬索桥体系的转换。太原市通达街汾河桥为独塔非对称自锚式空间悬索桥，相对于一般自锚式悬索桥而言，其体系转换存在诸多的施工难点：

（1）主缆为空间缆索结构，体系转换过程中，其几何非线性特征较为明显，主缆会发生扭转，给索夹的安装和预偏倾角的控制带来很大难度。

（2）体系转换过程中，主缆从空缆状态到成桥状态，在横桥向和竖直向均发生非线性大位移，主缆线形相差很大，导致吊索的调节量不够，需增加连接杆来实现吊索临时锚固。

（3）该桥的主跨和边跨呈非对称结构，体系转换过程中，会导致主塔两侧产生不均衡的水平分力，并引起索鞍水平方向的非线性位移，这些非线性互相耦合使得吊索张拉过程的计算相当复杂，而且在分析方法上与常规自锚式悬索桥存在较大区别。

3 体系转换施工

3.1 体系转换控制因素

在吊索张拉初期，主梁重量主要由临时支墩支撑，主缆处在空缆状态，受力较少。在中、后期施工过程中，随着吊索张拉数量的增大，主梁的荷载由临时支墩逐渐转移到主缆上，主缆的内力越来越大，主缆的几何刚度会逐渐增加，吊索的张拉应力必须控制在安全的范围内。对于桥塔，主缆不平衡水平力过大会导致桥塔产生较大的弯矩，使桥塔变形甚至开裂，因此要控制好索鞍的预偏量及顶推。体系转换过程中，应考虑以下的控制因素：

（1）在空缆状态下，可无应力安装的吊索优先安装；

（2）体系转换过程中，保证吊索的安全系数≥2.0；

（3）体系转换过程中，保证主梁的应力、线形满足规范要求，吊索张拉初期，主梁的应力不宜过大，可通过多次调整，保证最后阶段控制在规范的范围内；

（4）控制好索鞍的顶推量，使体系转换过程中及成桥状态的桥塔保持竖直，保证桥塔的最大弯矩在规范范围内。

3.2 体系转换施工流程

该桥体系转换的施工流程图如图2所示。

3.3 体系转换施工过程

（1）索夹的安装

该桥为空间缆索结构，主缆从铅垂面向空间转换，必然产生扭转，为减少扭转角，索夹安装时需要进行预偏角度。按照模拟计算的结果进行索夹的安装以及角度预偏。

（2）吊索安装

利用吊装设备将吊索吊起，将吊索上端与索夹耳板用销轴连接。对于不需要张拉的吊索，可直接将下端锚头放入钢导管并锚固在钢箱梁下端的锚垫板上，而对于需要张拉的吊索，则先将张拉杆与吊索的下端锚头连接，再将下端锚头放入钢导管内。

（3）体系转换方案

体系转换是将桥梁的承载力由支架承载转换到主缆及吊索承载的一个过程，吊索张拉的次数、索鞍顶推的次数和连接杆的长度及数量将影响到体系转换施工的工作量、工期以及成桥后缆索系统的整体受力，因此，应制定合理的体系转换方案。该桥采用Midas／civil 2015有限元分析软件，进行了三维建模结构分析和模拟计算，模型三维图见图3。三维建模结构分析：体系转换过程中，所有吊索的最大应力分布见图4，图中显示：吊索的最大应力为784MPa，那么安全系数：1770／784＝2.26≥2.0，满足设计要求，由此确定了最优的体系转换方案。

拟定的体系转换方案中，吊索的张拉顺序为从主塔向两侧依次张拉，先对主跨的7对吊索进行张拉后，主跨、边跨同时张拉。每对吊索的张拉次数不超过3次，每个吊点的张拉力控制3500kN以内，整个体系转换过程需要29步完成，具体的施工步骤如表1所示。

（4）吊索的张拉

该桥为空间缆索结构，体系转换过程中，从空缆状态到成桥状态，主缆线形在横桥向和竖直向均发生变化，导致吊索锚具的调节量不够，需要采用连接杆来实现吊索临时锚固，经过三维建模结构分析和模拟计算，每根吊索连接杆的长度参数如表2所示。鉴于吊索的锚固点在钢箱梁底部，体系转换时，制作一个可移动的张拉平台，利用YCW400B系列千斤顶配合张拉杆、张拉设备等附件进行吊索张拉，吊索张拉结构如图5所示。

表1 体系转换方案

表2 吊索连接杆长度

（5）索鞍的顶推

自锚式悬索桥在体系转换过程中，因吊索张拉产生不平衡水平力，会导致塔顶发生偏移。依据三维建模结构分析：体系转换过程中，主塔会向主跨侧产生竖向纵移，最大位移量为65mm。因此，该桥索鞍在初始安装时，预先向边跨侧偏移65mm，并在索鞍的边跨侧安装两台千斤顶用于索鞍顶推。体系转换过程中，利用塔顶反力支架和千斤顶将索鞍分次顶推至规定位置，其顶推的位移量需结合塔顶位移、塔身应力以及模拟计算加以确定。随着主索鞍的多次顶推，使索鞍回到无偏移状态，然后固定索鞍，最终完成体系转换。

4 结语

体系转换仍是自锚式悬索桥体系在施工过程中重点控制的环节，需通过三维建模结构分析和模拟计算，并进行综合比选来制定最优的体系转换方案。太原通达街汾河桥采用拟定的最优方案进行体系转换施工，并严格监控施工过程，历时40多天最终完成了体系转换。成桥后的索力值与理论索力较为吻合，主缆线型与设计线形基本一致，验证了三维建模结构分析和模拟计算的必要性和可靠性，可以为同类型自锚式空间悬索桥的施工提供可借鉴的经验及参考。