悬索桥主缆空缆状态扭转控制技术

主缆的扭转刚度极小，在空缆状态下，由于没有其他约束，内部应力稍微不均匀，主缆便会自由扭转。在传统扭转控制技术的基础上，提出沿桥跨八分点增设吊重荷载来控制主缆扭转。以国内某千米级悬索桥为背景建立有限元模型进行计算分析，计算表明利用此方法来防止主缆在空缆状态下发生扭转是行之有效的。但随着扭转角的逐渐减小，增加吊重荷载对扭转角的减小作用逐渐变小，因此实际采用的吊重荷载需根据实际控制需求作合理取值。

主缆； 空缆状态； 扭转刚度； 吊重荷载； 有限元计算

U448.25 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者简介］李则均（1996—），男，硕士，研究方向为桥梁与隧道工程。

主缆的扭转刚度极小，在空缆状态下，由于没有其他约束，内部应力稍微不均匀，主缆便会自由扭转。温度、日照以及先期索股内应力释放等，都是引起内部应力不均匀的因素。对于采用骑跨式吊索的主缆，主缆扭转会带动索夹扭转，如果在吊梁前不进行纠正，即使骑跨式吊索标记点对位索夹标记点进行安装，梁上由于吊索两支不齐，稍微受力后会引起吊索滑移，导致吊索标记点不再与索夹标记点对齐，当梁段吊装上去之后，强大的吊索摩擦将约束主缆扭转，由于主缆扭转刚度较小，以后主缆将不再自由扭转。这种扭转姿态就会永久保持下去，从而影响索夹受力。本文将研究控制方案，在吊梁前把主缆扭转消除。

1 主缆扭转产生原因及控制手段

主缆索股在架设牵引过程中由于猫道的振动等问题会造成索股的扭转，为避免此扭转的发生，牵引过程中应尽量使放索滚轮托架保持水平，减少猫道振动，保证滚轮宽度为索股名义直径的3倍，侧面与水平面夹角控制为120°。锚头放出后，每300 m在承重索上悬挂一只带手柄的六边形索夹，由2个人扶持锚头托架手柄前行，行进速度不超过30 ～40 m/min［1］。主缆索股入鞍时也易发生扭转，且索股的扭转主要呈局部“S”形扭转。当发生此种扭转时，为方便人工操作，先用软质的布带裹紧扭转处，再安装操作扣，并连接手柄。首先确定扭转问题是出现在锚头还是索股中部，如果是锚头附近，需要安排2组以上的工作人员，分别前后间隔2 m左右站在索股两边，如果是索股中部，则需要安排3组以上的技术人员，按照从中间向两侧对称反扭的方法进行扭转［2］。

以往对于主缆索股扭转的研究主要关注于索股牵引及成缆过程。对于索股架设完成后空缆时期由于主缆索股内部内力不均引起的扭转的控制研究甚少。对于采用骑跨式吊索的主缆，主缆扭转会带动索夹扭转，如果在吊梁前不进行纠正，即使骑跨式吊索标记点对位索夹标记点进行安装，梁上由于吊索两支不齐，稍微受力后会引起吊索滑移，导致吊索标记点不再与索夹标记点对齐，当梁段吊装上去之后，强大的吊索摩擦力将约束主缆扭转，由于主缆扭转刚度较小，以后主缆将不再自由扭转。这种扭转姿态就会永久保持下去，从而影响索夹受力。本文提出一种新型控制方案，在吊梁前把主缆扭转消除。

2 主缆集束体的扭转刚度［3］

主缆是由多根钢丝集束而成，全部索股架设完成后，经历了对股丝钢丝进行梳理、紧缆、安装索夹及体系转换、主缆缠丝这一过程而形成成桥时的主缆。在体系转换过程中，随着主缆内力增加，横截面钢丝不断地重新排列，形成更为稳定的截面形式，同时主缆集束体的扭转刚度也在不断变化。被索夹包围的主缆节段因索夹强大的紧箍力作用使得该部分集束体钢丝间紧密接触而不能发生相互错动，此处的主缆集束体可当作一个实体截面来考虑。如果主缆集束体钢丝没有张力，则相邻两索夹之间的主缆集束体的扭转刚度应介于主缆钢丝间完全不黏接与完全黏接之间，主缆集束体扭转刚度J的取值在极限范围之内，见式（1）。

Jmin=nπd432，Jmax=πD432（1）

式中：n为集束体钢丝的总数；d为钢丝的直径；D为等面积实截面主缆的直径。

3 主缆空缆状态扭转控制新技术

针对主缆由于温度、日照以及先期索股内应力释放等引起内部应力不均匀从而导致主缆发生扭转的问题。本文结合前人的研究，提出通过在主缆八分点处索夹位置添加临时吊重来抑制主缆在梁段吊装之前发生扭转。

由于主缆中心到索夹耳板稍孔有一定的距离，主缆由于各种因素产生扭转后，索夹耳板会随着主缆扭转而发生倾斜，在索夹上加上吊重荷载后，此竖向荷载会产生一定的恢复力矩，消除主缆的扭转。

3.1 有限元模型建立

由于主缆单元抗扭以及抗弯刚度很小，因此在有限元模拟过程中通常用杆单元来模拟主缆，主缆只受轴力作用。但杆单元不具备空间转动自由度，无法获取主缆由于扭矩作用产生的扭转角，因此本文采用梁单元对主缆进行模拟。利用有限元分析软件Ansys建立了大桥主跨空缆状态模型，如图1所示。主缆采用Beam44模拟。

3.2 主缆刚度取值

研究所采用悬索桥主缆由520股91丝直径5.9 mm钢丝组成，因此，主缆扭转刚度范围为5.6×10-6～2.66×10-1m4。最大刚度与最小刚度的比值为47 600。可看出此范围过广，本研究将分析主缆取不同扭转刚度大小时扭转荷载以及吊重荷载对其扭转角的影响。表1为采用的刚度取值。

3.3 计算结果

对各种刚度取值的主缆模型施加不同大小的扭矩荷载使其发生扭转，研究使不同扭轉角度恢复所需要的吊重荷载。计算结果如表2所示，其中将主缆扭转角小于0.45°作为主缆扭转消除标志，此时主缆断面最低点的水平位移小于5 mm。图2为4种刚度取值对应的吊重荷载取值随扭转角的变化趋势图。

从图2中可以看出发生相同的扭转角，扭矩荷载与扭转刚度成正比例变化。所以传统的在主缆上增设鱼雷夹（增大主缆的扭转刚度同时减小主缆的自由扭转长度）来防止主缆扭转是行之有效的方法。在传统防扭转方案外，本研究提出的沿跨径八分点增设吊重可以给主缆提供抗扭转力矩。如表2所示，恢复主缆扭转所需的吊重荷载随着扭转角近似呈正比例关系变化。且随着主缆扭转刚度取值的增大，恢复相同的扭转角所需的吊重荷载随着刚度呈正比例变化。因此实际设置前，可以通过试验得到主缆较为准确的扭转刚度，并对实桥桥位处的温度场风场对主缆可能发生的最大扭转角进行研究，得到最大可能发生的扭转角度，从而通过内插求得所需的吊重荷载。实桥建设过程中，在已吊重的情况下若遇到极端环境或不可抗力因素使得主缆扭转再次发生，可以通过增大现有吊重的方法将扭转消除。

理论上在单纯的吊重荷载作用下不能完全恢复主缆的扭转，但可以将扭转控制在一定程度之内。因此研究固定的扭转角度情况下，施加不同的吊重荷载，得到吊重后主缆的扭转角度，研究吊重荷载的合理取值。

取主缆3号刚度方案，即主缆的扭转刚度取实截面主缆扭转刚度的1/100。施加扭矩使主缆跨中产生20°的扭转角，分别在跨径八分点施加0～4 800 kN的吊重荷载，研究主缆扭转角的变化，结果如表3所示，变化趋势图如图3所示。

从上述结果可以看出，随着扭转角的逐渐减小，增加吊重对扭转角的减小作用逐渐减小，在当前研究所取的抗扭刚度取值下，主缆产生了20°的扭转角。当吊重荷载取300 kN左右时可将主缆断面下表面点水平位移控制在3.1 cm，当吊重荷载取1 000 kN左右时可将主缆断面下表面点水平位移控制在1 cm左右，当吊重荷载取2 100 kN时可将主缆断面下表面点水平位移控制在5 mm之内，由此可以看出吊重取300 kN之后继续增大吊重荷载，对于主缆扭转角的减小收效甚微，因此吊重荷载的取值需根据实际控制需求进行合理取值。

4 结束语

（1）针对由于温度、日照以及先期索股内应力释放等引起内部应力不均匀从而导致主缆发生扭转的问题。本文提出通过在主缆八分点处索夹位置添加临时吊重来抑制主缆在梁段吊装之前发生扭转，有限元计算分析表明，该方法对主缆扭转的抑制效果较好。

（2）恢复主缆扭转所需的吊重荷载随着扭转角近似呈正比例关系变化。且随着主缆扭转刚度取值的增大，恢复相同的扭转角所需的吊重荷载随着扭轉刚度也呈正比例变化。

（3）随着扭转角的逐渐减小，增加吊重对扭转角的减小作用逐渐减小，当主缆扭转角减小到一定程度之后继续增大吊重荷载，对于主缆扭转角的进一步减小收效甚微，因此吊重荷载的取值需根据实际控制需求进行合理取值。

参考文献

［1］ 张成瑞.悬索桥主缆PPWS法架设中质量通病及解决措施［J］.北方交通，2018（2）：13-16.

［2］ 付琼.悬索桥主缆架设施工中存在的问题与优化方案［J］.工程建设与设计，2020（9）：297-299.

［3］ 齐东春，沈锐利，刘章军，等.考虑拉扭耦合效应的空间主缆扭转计算方法［J］.长安大学学报（自然科学版），2015，35（6）：91-97.