地锚式悬索桥主缆成桥线形参数敏感性分析

唐林平

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430000）

0 引言

在悬索桥的施工过程中，其成桥线形主要以主缆线形控制为主[1]；影响悬索桥成桥线形的因素较多且复杂，如结构自身重量，结构截面特性、几何参数等。这些影响因素的变化会使得悬索桥成桥状态下线形与设计线形存在差异[2]。本文通过选取部分参数如：主缆、主塔、主梁的刚度及其自重，吊杆的抗拉刚度，主缆的架设长度，桥面二期重量，成桥锚跨张力，吊杆制作长度，分析所选取参数变化时对结构成桥状态下线形的影响。

1 工程概况

某悬索桥为主跨739m 的单跨简支钢箱加劲梁悬索桥，南边跨跨度为221m，北边跨跨度为205m；中跨理论垂度为81.113m，垂跨比为1:9.11。南、北桥塔为钢筋混凝土门形框架，南塔高140m，北塔高146.5m。桥型布置如图1 所示。

图1 主桥桥型布置图（m）

2 材料特性参数敏感性分析

悬索桥成桥线形极易受构件的材料特性参数变化的影响，其实际成桥状态与设计理想状态之间的差异不可避免[3，4]。准确找出对成桥线形影响较大的参数，并在施工过程中对其加以控制，可以使得悬索桥成桥状态与设计理想状态之间的差异尽可能减小。

2.1 主缆抗拉刚度及自重 主缆的抗拉刚度由材料的弹性模量E 和截面特性决定[5]，因此可以通过改变弹性模量来改变抗拉刚度。分别增加主缆抗拉刚度和自重的1%～5%与10%，计算改变前后其主缆成桥线形之间的差值，其计算结果见图2。

图2 主缆线形差值示意图

由图2 可以看出，随着主缆抗拉刚度的增加，主缆中跨成桥线形均高于改变前，主缆边跨的成桥线形变化较小，主缆抗拉刚度增加10%时，主缆线形差值最大为574.3mm；随着主缆自重的增加，主缆中跨、边跨成桥线形均低于改变前，主缆自重增加10%时，差值最大为-70mm。

2.2 主塔刚度及自重 分别增加主塔刚度和自重的1%～5%与10%，计算改变前后其主缆成桥线形之间的差值，其计算结果见图3。

图3 主缆线形差值示意图

由图3 可以看出，随着主塔刚度的增加，主缆中跨、边跨均高于改变前。随着主塔自重的增加，主缆中跨、边跨的成桥线形均低于改变前。主塔刚度增加10%时，主缆线形差值最大为8.1mm；主塔自重增加10%时，差值最大为-3.2mm。由此可见，主塔刚度和自重对主缆成桥线形的影响较小。

2.3 主梁刚度及其自重 分别增加主梁刚度和自重的1%～5%与10%，计算改变前后其成桥线形之间的差值，其计算结果见图4。

图4 主缆线形差值示意图

由图4 可以看出，随着主梁刚度的增加，主缆中跨跨中部分成桥线形均低于改变前，靠近主塔部分成桥线形均高于改变前，主缆边跨的成桥线形变化较小。随着主梁自重的增加，主缆中跨和主梁的成桥线形均低于改变前，主缆边跨成桥线形高于改变前。主梁刚度增加10%时，主缆线形差值最大为-0.7mm，由此可见，主梁刚度对成桥线形影响的影响非常小；主梁自重增加10%时，差值最大为-401.7mm，主梁自重对成桥线形影响非常大。

2.4 吊杆抗拉刚度 分别增加吊杆的抗拉刚度的1%～5%与10%，计算改变前后其成桥线形之间的差值，其计算结果见图5。

图5 主缆线形差值示意图

由图5 可以看出，随着吊杆抗拉刚度的增加，主缆中跨跨中部分成桥线形高于改变前，靠近主塔部分成桥线形低于改变前，主缆边跨的成桥线形变化较小。吊杆抗拉刚度增加10%时，主缆线形差值最大为-0.06mm。由此可见，吊杆抗拉刚度对主缆的成桥线形的影响非常小。

3 施工参数敏感性分析

3.1 主缆架设长度 空缆线形是决定成桥线形非常重要的影响因素，若其发生变化，则整个结构的成桥线形也会发生较大变化。以50mm 为间隔，分别增加主缆总的无应力长度50mm～250mm 与500mm，并使增加的长度均匀地分布到整个主缆，计算改变前后其成桥线形之间的差值，其计算结果见图6。

图6 主缆线形差值示意图

由图6 可以看出，随着主缆架设无应力长度误差的增加，主缆中跨成桥线形低于改变前，主缆边跨的成桥线形变化较小。主缆架设无应力长度误差为500mm 时，主缆线形差值最大为-641.3mm。由此可见，空缆线形的架设精度对成桥线形有较大的影响。

3.2 二期重量 分别增加成桥状态下二期重量的1%～5%与10%，计算改变前后其成桥线形之间的差值，其计算结果见图7。

图7 主缆线形差值示意图

由图7 可以看出，随着桥面二期铺装重量的增加，主缆中跨成桥线形低于改变前，主缆边跨成桥线形高于改变前。桥面二期铺装的重量增加10%时，主缆线形差值最大为-152.9mm。由此可见，桥面二期铺装重量的大小对成桥线形的影响非常大。

3.3 成桥锚跨张力 与悬索桥其他跨的控制原则不同，其锚跨的控制主要是以其锚跨索股张力作为控制参数。成桥状态下锚跨张力的大小决定成桥后结构的受力状态与成桥线形。分别增加成桥状态下每根锚跨索股张力的1%～5%与10%，计算改变前后其主缆成桥线形之间的差值，其计算结果见图8。

图8 主缆线形差值示意图

由图8 可以看出，随着成桥状态下锚跨索股张力的增加，主缆中跨成桥线形高于改变前，主缆边跨的成桥线形低于改变前。成桥状态下锚跨索股张力增加10%时，主缆线形差值最大为554.1mm。由此可见，成桥状态下锚跨索股张力的大小对主缆成桥线形的影响非常大，需要严格控制。

3.4 吊杆制作长度 吊杆长度制作的准确性也很大程度影响着结构的成桥线形，以10mm 为间隔，分别增加每根吊杆的无应力长度10mm～50mm 与100mm，计算改变前后其成桥线形之间的差值，其计算结果见图9。

图9 主缆线形差值示意图

由图9 可以看出，随着吊杆制作的无应力长度的增加，主缆中跨成桥线形低于改变前，主缆边跨的成桥线形高于改变前。吊杆制作的无应力长度增加100mm 时，主缆线形差值为-0.1mm，由此可见，吊杆制作的无应力长度，对主缆成桥线形的影响非常小。

4 结语

本章以某悬索桥工程背景，建立有限元模型，展开大跨度悬索桥成桥线形影响参数的敏感性分析。通过选取主缆、主塔、主梁的刚度及其自重，吊杆抗拉刚度，主缆架设长度，桥面二期重量，成桥锚跨张力，吊杆制作长度作为分析参数，分析了所选取参数变化时对结构成桥状态下主缆线形的影响。通过研究分析得出以下结论：所选取的参数对悬索桥成桥线形都有一定的影响，其中主缆抗拉刚度与自重、主梁自重、主缆架设长度、二期铺装重量、成桥锚跨张力对主缆成桥线形有较大的影响，因此施工时需要严格控制这些参数；主塔刚度与自重、主梁刚度、吊杆抗拉刚度、吊杆制作长度对主缆成桥线形的影响较小。