清江特大悬索桥基准索参数敏感性分析

2022-04-24李海玉韩江龙

建材世界 2022年2期

李海玉，陈帅，韩江龙

(1.恩施州交通运输综合执法支队，恩施 445000；2.中铁大桥局九公司，中山 528437)

悬索桥使用较少的建筑材料，通过钢索与混凝土桥面的结合，能跨越比较长的空间距离，例如峡谷，河流。但由于其施工技术步骤繁多，施工技术要求高等原因，其每一步施工监控都至关重要[1,2]。在桥梁施工建造过程中，施工误差不可避免，为了确保最终的成桥状态与设计理想状态有较小的偏差，需要在主缆空缆线形确定的基础上，控制施工中的各种影响条件，使得最终的空缆线形在设计容许误差范围内，满足工程建设的需求。其中，缆绳的材料物理参数误差、钢缆的架设温度、两岸的主塔施工偏差、塔顶的主索鞍安装位置偏差和主缆的入槽方式等都对主缆的无应力索长、主缆的跨径及主索鞍处预抬量造成影响[3]。

由于悬索桥的主缆线形的精确安装到位是悬索桥施工的最重要步骤，赵林杰[4]等人曾阐述了自锚式悬索桥的施工监测工作内容，重点阐述了主缆架设过程中的具体监控内容和细节问题，同时也详细列举并推导了主缆线形的计算方法和计算过程。谭红梅[5]等人为提高大跨度悬索桥基准索架设的施工精度，提出了两种调索的方法，最终实际工程的计算结果显示了悬索桥简化调索公式在中跨的线形计算上比传统的抛物线调索公式有更加准确的计算精度，两者相差约3%；并且更加符合工程实际。而对于边跨,两中计算方式的精度相当。其结果进一步显示，两种计算方式在索长调整量精确计算法的误差都低于5%，均可应用于实桥的调索分析。梁志磊[6]等人也进一步研究了基准索调索的具体问题，对有影响于基准索架设因素的敏感性给出了介绍和一定的分析。

通过采用单因素分析法对无应力索长、主跨跨度及温度场等三个主要影响因素的敏感性进行讨论，并推导其对基准索架设跨中标高的影响。同时通过理论解析法的介绍和推导，总结出计算公式。利用清江特大悬索桥基准索架设作为工程实例，对各个参数敏感性进行计算，最终得出该桥的基准索对跨中标高判断的经验公式。

1 参数敏感性分析计算方法

1.1 无应力索长及跨度对跨中标高的影响

只考虑悬索自重时，悬索线型为悬链线

弧长s与坐标x的关系

1)主缆水平张力

由主缆IP点坐标可推得关系式(1)

(1)

其中,l为跨度，f1=f2为垂度。

求解以上非线性方程可得到：主缆水平张力T0。

这里使用牛顿迭代法求解，初解取值时，把悬链线近似为抛物线，以求得初始值。

(2)

2)主缆任意位置的张力

在得到主缆水平张力T0后，即可求得主缆中任意一点的张力

(3)

3)主缆的无应力长度

主缆无应力长度是空缆状态下的索长减去主缆的伸长量，其伸长量的计算为

(4)

(5)

(6)

主缆无应力长度为

su=s-Δs

(7)

索长变化比值为

4)参数敏感性分析：垂度为直接反映主缆跨中标高的指标，总体上说，在荷载不变的情况下，无应力索长及跨度对影响最为直观(下列公式为对称悬索)。

(8)

(9)

(10)

即可得到关于T0的非线性方程

(11)

由上式，(1)当只考虑主缆无应力索长对垂度的影响时，由不同的su可求解不同的T0。(2)当只考虑跨度的影响时由不同的索长l可求解得T0。

再由公式(12)

(12)

得到主缆的垂度值，进而求得跨中标高。

1.2 温度对跨中标高的影响

温度对无应力索长的影响进而影响到主缆的跨中标高。因此无应力索长与温度的变化关系可由公式(13)来表示：

Δsu=μ·ΔT·su

(13)

2 工程实例

2.1 工程计算模型

1)成桥状态悬索桥尺寸：跨度：l=42 000 cm，垂度：f1=f2=4 375 cm (49 900-455 250=4 375)。

2)空缆状态悬索桥尺寸：北岸散索鞍IP点：A点坐标(925.961,443.775)，北岸主索鞍IP点：B点坐标(1 045.364,499.012)。主索跨中点：C点坐标(1 256.000,459.855)。南岸主索鞍IP点：D点坐标(1 466.636,499.012)，南岸散索鞍IP点：E点坐标(1 586.039,443.775)。主缆：换算容重ρ=80.3 kN/m3，截面等效直径D=350.826 mm。主缆弹性模量E=19.5×104MPa。使用matlab数学计算软件可算得：T0=4.447 3×106N，s=430.826 m，su=430.722 m，η=0.999 8。如图1所示。