空间主缆悬索桥主缆线形控制方案研究

彭 鹏，厉勇辉，代百华

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430048；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430048；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430048；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430048)

0 引言

空间主缆悬索桥在提高桥梁横向刚度时，给人特有的索结构空间美感。相比平行主缆悬索桥，空间主缆悬索桥是由主缆和吊索形成的三维索系，在对竖向承载力影响不大的情况下，提高缆索系统横向刚度与整个桥梁的横向刚度和扭转刚度[1]。目前，越来越多的跨峡谷和河流悬索桥，尤其是千米级跨径悬索桥开始采用空间主缆形式。

主缆线形和吊索偏角差是空间主缆悬索桥施工过程控制的重难点，受主梁架设影响较大。主梁安装过程中，主缆横向线形和成桥线形相差较大，导致吊索安装过程中偏角差过大，对吊耳处产生过大附加弯矩，引起主缆扭转导致索夹定位不准。空间主缆悬索桥施工工艺可分为先梁后缆和先缆后梁，目前国内外已建成和在建空间主缆悬索桥结构形式和总体施工工艺情况如表1所示[2-5]。目前已提出很多空间主缆理论解析计算方法[6-8]，施工过程中吊索倾角和内力不断发生变化，采用理论公式计算较繁琐，为此本文采用有限元数值分析法，分析千米级空间主缆主梁架设过程中主缆线形和吊索偏角情况。

表1 国内外已建成和在建空间主缆悬索桥结构形式及总体施工工艺

1 施工重难点及主缆线形控制方案

1.1 线形控制难点

桥梁成桥状态与施工方案息息相关，结合桥位环境条件、空间主缆悬索受力特点，总结与常规平行主缆悬索桥的差异，如表2所示。

表2 空间主缆与平行主缆悬索桥上部结构工艺对比

相比平行主缆悬索桥，空间主缆悬索桥的主缆线形控制和索夹安装是施工过程控制重难点。空间主缆悬索桥结构最大特点在于吊索施工过程中，主缆横向距离不断变化，主缆线形和成桥状态线形差别较大，需对主缆线形进行控制分析，原因如下：①吊索安装需要 为使吊索下锚固点插入锚杯，需控制上、下锚点间的横向距离；②防止吊索拉力对插耳和索夹产生过大的附加弯矩；③避免引起主缆扭转，导致索夹方向定位不准确。

为描述主缆横向线形对吊索施工的影响，引入吊索安装偏角差θ(见图1)。吊索安装偏角差指吊索安装时，吊索轴线与成桥状态下吊索间的夹角。

图1 吊索偏角差计算示意

(1)

式中：D1为吊杆安装时，索夹到桥中心线距离；D2为成桥状态时，索夹到桥中心线距离；D为吊杆吊点到桥中心线距离；L1为吊杆长度。

1.2 空间主缆线形控制方案研究

根据主缆锚固方式不同，空间主缆悬索桥可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。自锚式悬索桥一般采用先梁后缆施工工艺，施工过程中采用对拉、对撑、临时拉索方式控制主缆线形，主梁受临时支架支承，主梁自重对主缆线形影响较小。地锚式悬索桥一般采用先缆后梁施工工艺，主梁架设过程中，采用对拉或对撑方式控制主缆线形，主梁架设过程中主梁自重对主缆线形影响较大。对拉装置如图2所示。

图2 对拉装置示意

空间主缆悬索桥主缆线形控制流程如图3所示。对采用对拉/对撑方式控制主缆线形的施工方案，根据对拉/对撑装置的套数和位置初步拟定对拉方案，通过有限元计算分析得到每种方案吊索安装时偏角差θ和对拉装置最大内力，进行方案比选时综合考虑以下因素：①吊索安装偏角差θ一般小于吊索下锚点允许转动角(一般设置为3°)；②对拉/对撑装置套数 主要考虑施工过程中对拉/对撑装置控制难易程度；③对拉/对撑装置对缆索式起重机运行影响 对拉和对撑装置靠近主塔时，对缆索式起重机影响较大；④对拉/对撑内力 对拉/对撑装置内力是对拉/对撑装置设计的重要参数，内力越大存在的风险越大；⑤主缆扭转问题 吊索安装偏角差θ越小，吊索对主缆产生扭矩越小，对索夹定位影响越小。

图3 空间主缆悬索桥主缆线形控制流程

对采用临时拉索方式控制主缆线形的施工方案，根据临时拉索数量初步拟定方案，根据有限元计算结果，得到吊索安装偏角差θ、临时拉索内力和临时墩支反力，比选方案时除考虑吊索安装偏角差和主缆扭转问题，还要综合考虑以下因素：①临时拉索套数 主要考虑拉索张拉控制难易程度；②张拉千斤顶的量程 取决于临时拉索内力；③临时墩支反力 临时墩支反力不能超过临时支撑的承载力；④临时拉索张拉次数。

2 工程概况

以新建川藏大渡河大桥为例，分析钢桁梁架设过程中主缆线形、吊索偏角，确定最优对拉方案。该桥散索鞍水平面内距离主梁外侧13m，塔顶索鞍处主缆相比主梁外偏5.5m，中跨跨中主缆相比主梁外偏0.5m，中跨钢桁梁共划分51个节段，钢桁梁从中跨向两主塔依次交替架设。算例基本参数如图4所示。主缆成桥线形如图5所示。

图4 算例基本参数(单位：m)

图5 有限元分析模型(单位：m)

3 主缆线形计算分析

采用Midas Civil有限元软件建立三维有限元模型，如图6所示。全桥共划分9 346个单元，主缆和吊索采用索单元进行模拟，钢桁梁采用桁架单元进行模拟，主塔采用梁单元进行模拟。

图6 有限元模型

3.1 对拉方案

成桥主缆横向间距由主塔向中跨跨中逐渐减小，空缆状态下主缆间距相等，为使钢桁梁吊装过程中主缆线形接近成桥线形，解决吊索在吊耳插销处的安装问题，需在中跨主缆跨中处设置对拉装置。为分析设置不同对拉套数对主缆线形和吊索偏角差的影响，确定最优对拉方案，拟定4种方案：①方案1 不设置对拉装置；②方案2 在中跨1/2处设置1道对拉装置；③方案3 在中跨1/4，1/2，3/4设置3道对拉装置；④方案4 在中跨1/6，1/3，1/2，2/3，5/6处设置5道对拉装置。

3.2 对拉方案对比分析

采用式(1)计算得到钢桁梁施工过程中，4种方案吊索安装时的吊索偏角差，如图7所示。

图7 施工过程中主梁横桥向线形

钢桁梁架设过程中，主缆横桥向位移对比分析如图8所示。

图8 钢桁梁节段架设过程中对拉装置内力变化

钢桁梁节段架设过程中，方案2～4对拉装置内力变化如图9所示。

图9 钢桁梁节段架设过程中对拉装置内力变化

由上述计算结果进行分析如下。

1)中跨跨中吊杆安装时，索夹偏角差相比靠近主塔吊索偏角差要大，设置对拉装置套数越多，索夹偏角差越小。方案1未设置对拉装置，吊索偏差角为65°，方案2～4分别设置1，3，5道对拉装置，吊索安装过程中其偏角差最大值分别为2.9°，1.04°，0.65°。

2)钢桁梁施工过程中，主缆横桥向变形逐渐接近成桥线形，同一个钢桁梁架设工况下，对拉装置设置套数越多，越接近成桥线形。

3)钢桁梁架设过程中，方案2～4对拉装置最大内力分别为450，1 000，800kN，通过对拉装置内力变化规律可知，同一种方案，靠近桥墩对拉装置最大内力比靠近跨中对拉装置要大，受钢桁梁重力影响，钢桁梁架设对靠近中跨对拉装置内力影响较大。

3.3 对拉方案比选

通过比较不同主缆对拉方案施工过程中索夹偏角差、主缆线形、施工工艺，比选中跨主缆对拉总体方案，4种方案综合对比分析如表3所示。

表3 对拉方案比选

方案1索夹偏角差太大，吊索无法进行安装；方案2索夹偏角差虽小于下锚杯允许转动角3°，但考虑钢桁梁吊装节段自重较大、吊索安装较多，为减少对主缆扭转的影响，减少索夹定位误差，拟在方案3,4中作比选，方案3,4均能将索夹偏角差控制在1°左右，且施工过程中主缆线形和张拉设备内力相差不大，方案3采用3套张拉设备，相对于方案4施工过程中对拉装置操作更简便，且方案4中张拉装置更靠近主塔位置，主塔上缆索式起重机需架设更高，增加施工成本和风险，因此在保证索夹偏角差不大的情况下，方案3为优选方案。

4 结语

1)相对于平行主缆悬索桥，空间主缆悬索桥施工过程中，主缆线形控制和索夹安装是重难点，通过吊索安装偏角差反映吊索对主缆线形和索夹安装的影响。

2)给出空间主缆悬索桥线形控制方法和控制方案确定研究思路。

3)主梁吊装过程中，主缆横桥向变形逐渐接近成桥线形，对拉装置设置越多，吊索安装偏差角越小。对拉装置内力受钢桁梁架设过程影响较大，尤其是中跨跨中对拉装置内力，主缆线形控制方案确定应从经济性、施工效率和施工安全性综合考虑。