李盛洋 檀永剛 潘盛山

（湖北交通規(guī)劃設計院1） 武漢 430051） （大連理工大學建設工程學部2） 大連 116024）

0 引 言

在懸索橋施工過程中，為平衡施工階段中主塔塔頂所受不平衡水平力，需設置索鞍預偏量；通過在不同施工階段頂推索鞍，實現對塔頂不平衡力的消除，保證施工階段中主塔受力合理．主梁架設過程中索鞍在塔頂的位置要不斷變化，以至于主纜與索鞍的分離點或切點不斷變化，從而改變主塔兩側主纜軸力的水平分力，實現消除施工階段中塔頂的不平衡水平力［1］．

無索鞍預偏施工方法則是從索鞍安裝時就將主索鞍與塔頂固接，施工過程中，通過分階段張拉邊跨主纜（背索），增大邊跨主纜張力的方式，消除索塔的不平衡水平力，使成橋后結構的內力和線形與設計理想狀態(tài)相一致．該方法曾用于施工云南瀾滄江懸索橋［2］．該橋在施工過程中，將主索鞍與主塔頂永久固結，通過在錨固跨設置千斤頂，分階段張拉邊跨索股而增大邊跨主纜張力的方式消除塔頂水平位移，從而達到糾偏的目的．

對于空間索面懸索橋，由于索鞍與豎直面呈一定角度，索鞍與塔頂接觸面受力復雜，活動索鞍安裝困難，且施工過程中，索鞍頂推的精度難以控制，通過使用無索鞍預偏施工方法，施工階段中無需頂推索鞍，免去活動鞍座的安裝，可有效解決以上所述難題．對于主纜軸力在一定范圍內的懸索橋，通過在主纜兩端設置冷鑄錨，通過安置于4個錨碇內的4臺千斤頂，即可實現對全橋邊跨主纜力的調整，操作簡單，且能有效保證張拉控制精度．對于主梁通過支架施工的懸索橋，體系轉換通過逐步張拉吊桿實現；體系轉換完成之前，主梁均由支架支撐，這樣可通過調整施工階段中吊桿張拉控制力，充分利用結構受力性能，使張拉步驟減至最少，節(jié)省施工成本．在綜合考慮施工難易度，控制精度及施工成本后，最終確定采用了無索鞍預偏施工方法實現青龍山公園一號橋的體系轉換，并根據這一施工方法進行施工控制計算分析．

1 工程概況

青龍山公園一號橋位于營口經濟技術開發(fā)區(qū)，跨徑布置為20．7m＋70m＋20．7m，理論矢高15．31m，矢跨比1∶4．57．該橋為地錨式空間索面懸索橋，纜索面與豎直面呈14．13°夾角．主梁采用混凝土箱型主梁，單箱3室，梁高1m，寬11m．主塔采用鋼筋混凝土實心截面主塔，高20．7m．吊桿采用鍍鋅高強鋼絲，橋面吊桿間距4 m．主纜為成品纜索體系，采用鍍鋅平行鋼絲．主纜通過索鞍后，直接錨固在兩側山體上的重力式錨錠里．

本橋施工采用“先梁后纜”的施工方法，即先將主梁、主塔澆注完成后，再安裝主纜、吊桿，最后通過張拉吊桿使主梁脫模，最后拆除支架，實現結構體系轉換．

該橋的立面、平面圖見圖1～2．

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁平面布置圖（單位：cm）

2 無索鞍預偏法的優(yōu)點

青龍山公園一號橋主纜為空間索面，索鞍軸線與主橋中心線呈14．13°，見圖3．由于索鞍偏轉角的存在，使得索鞍與塔頂之間有較大橫向力；相比豎直索面懸索橋，索鞍滑道需設置相應的橫向位移限制，這增加了滑動索鞍安裝的難度．同時由于偏轉角度的存在，各階段對索鞍頂推位移量的精度也較豎直索面懸索橋更加難以控制［3］．采用無索鞍預偏施工方法，施工階段中索鞍固定于主塔塔頂，無需安置索鞍滑道，降低了施工難度．

圖3 索鞍布置圖

該橋主纜設計軸力為5 200kN，采用成品纜索體系．由于主纜軸力較小，可通過在主纜兩端安裝張拉端錨具，在施工階段中，通過安置于橋梁兩端錨錠內的4臺6 000kN千斤頂張拉一次即可實現對邊跨主纜（背索）張拉力的一輪調整．對于使用散索鞍的懸索橋，邊跨主纜張拉力每調整一次，就需使用多臺千斤頂張拉每一根索股，這使得邊跨主纜張拉力調整的工作量較大，也容易造成張拉過程中主纜力在單根索股上的不均勻分配．然而對于主纜使用單根成品索的懸索橋，背索張拉可通過張拉主纜兩端冷鑄錨完成，易于操作，節(jié)省施工成本，且能有效保證工程精度．見圖4．

圖4 張拉背索示意圖

綜上所述，無索鞍預偏施工方法避免了在橋塔塔頂處安裝龐大的索鞍頂推裝置；免去了塔頂活動索鞍的安裝，使施工成本大大降低；通過索端設置冷鑄錨，通過4臺千斤頂即可實現對背索張拉，施工簡單，且能夠保證張拉精度．經過綜合考慮，最終該橋采用無索鞍預偏方法施工．

3 控制難點

無索鞍預偏施工方法施工監(jiān)控主要有以下控制難點．

1）邊跨主纜放張量的確定 空纜狀態(tài)下，邊跨主纜的無應力索長與成橋狀態(tài)下無應力索長的差值定義為邊跨主纜放張量．對于無預偏施工方法，主塔塔頂處由主跨主纜和邊跨主纜產生的不平衡力要靠改變邊跨主纜無應力索長實現．因此，空纜狀態(tài)下邊跨主纜的無應力索長值需能保證在空纜狀態(tài)下，主塔兩側主纜軸力的水平力分力相等．施工監(jiān)控計算中，需計算空纜狀態(tài)塔頂不平衡力，并通過給邊跨主纜一定的放張量，實現塔頂不平衡力的消除．結構空纜狀態(tài)下，邊跨主纜放張量，對應索鞍預偏施工中的索鞍預偏量．

2）主塔塔根應力確定 懸索橋施工控制中，主塔塔根應力是重要控制指標．索鞍無預偏施工的懸索橋在施工過程中，隨著施工階段推進，逐步張拉錨跨索股，目的是為了保證索塔的受力在允許的范圍內［4］．張拉過程中，需保證主塔處于全截面受壓狀態(tài)．塔根較小的壓應力儲備，會增加結構不安全性；較大的壓應力儲備，又會使張拉步長變小，張拉次數增多，同時也使施工難度增加．

3）邊跨主纜及吊桿張拉力的確定 在施工控制計算中，通過合理確定各階段吊桿及背索張拉力，將主塔塔根應力控制在一定范圍的同時，使得張拉步驟最簡．無索鞍預偏施工階段中，通過張拉邊跨主纜實現主塔糾偏．本文在計算中，計算邊跨主纜張拉力時，考慮通過對張拉邊跨主纜實施超張拉，使得本階段結束時，主塔塔頂產生偏向邊跨位移，為下一輪吊桿張拉提供一定的應力儲備．通過合理控制邊跨主纜及吊桿張拉力，使得施工階段中，主塔根部不產生拉應力，同時將張拉步驟減至最少．

4 合理成橋狀態(tài)及邊跨主纜放張量的確定

4．1 合理成橋狀態(tài)

合理成橋狀態(tài)是結構計算的基準狀態(tài)．合理成橋狀態(tài)下結構應滿足以下條件：在恒載作用下，主纜線形平順，主纜矢高、主纜吊點及主梁標高與設計相符，吊桿力均勻，主塔直立．本文使用RM專業(yè)橋梁分析軟件，使用ACCDON模塊進行懸索橋合理成橋狀態(tài)計算．計算中設置吊桿力、節(jié)段主纜軸力為變量；以橋面豎向位移、主纜吊點水平位移、主塔塔頂水平位移、及主纜跨中節(jié)點豎向位移為零，為約束條件，進行計算并得到合理成橋狀態(tài)．

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通過計算得出合理的成橋狀態(tài)，計算得出的中跨主纜索夾標高見表1及圖5．

表1 成橋狀態(tài)下索夾標高對比

圖5 索夾編號示意圖

4．2 邊跨主纜放張量的確定

在索鞍預偏施工中，主塔塔頂在空纜狀態(tài)下，所受不平衡力可通過設置合理的索鞍預偏量來消除．根據索跨間無應力索長與成橋時無應力索長相等，及主纜自重作用下，中邊跨索力水平分力相等為條件，求出索鞍預偏值［5］．無索鞍預偏施工中，索鞍位置是固定的，需通過給邊跨主纜設置一定的放張量，減小邊跨主纜軸力，使得空纜狀態(tài)下，中邊跨主纜索力水平分力相等．在瀾滄江施工控制計算中，采用將錨固跨索股錨固端拉桿處索股錨頭的錨固位置向主塔方向沿拉桿切線方向移動一定距離，進而使邊跨主纜的水平拉力減小，并逐漸與中跨水平拉力相等來模擬．

邊跨主纜放張量的計算使用RM軟件建立成橋狀態(tài)，添加彈簧限制塔頂水平位移，鈍化主梁及吊桿單元，得到中跨主纜空纜軸力，調整邊跨主纜矢高，直至中、邊跨主纜水平力相等，得到邊跨主纜空纜狀態(tài)下坐標，再放松塔頂縱向位移限制，得到結構空纜狀態(tài)，并提取此狀態(tài)下邊跨主纜的無應力索長值．這種通過限制塔頂產生協調變形的計算方法，收斂速度較快，能精確得到錨固跨主纜空纜狀態(tài)下坐標值及無應力索長．

邊跨主纜放張量即為計算得出的索長值與成橋狀態(tài)下，邊跨主纜力達到成橋主纜力下對應索長之間的差值．在施工過程中，通過合理設置主纜張拉端錨杯調節(jié)長度（給定背索適當放張量），實現對空纜狀態(tài)下塔頂不平衡水平力的調整．本文計算出主纜放張量為239mm，見表2，圖6．

表2 主纜無應力長度對比 mm

圖6 主纜分段示意圖

5 背索張拉控制過程計算

本橋體系轉換為通過逐步張拉吊桿，將主梁自重由支架轉至主纜，使主梁脫模，結構達到剛度，實現成橋狀態(tài)；并在施工中通過張拉背索調整塔頂位移，使塔根應力在整個施工階段處于安全范圍內．

合理確定施工過程中背索張拉時機及張拉控制力，可有效縮減張拉次數，簡化施工步驟．在塔根應力滿足要求的情況下，如何合理計算出各張拉步驟下的張拉力，是施工控制計算的關鍵．

計算中以主纜空纜狀態(tài)建立初態(tài)模型，通過改變單元體內力方法，模擬吊桿分步張拉．并驗算各施工階段下主塔塔根應力值，逐步完成對各施工階段控制參量的計算．

背索張拉控制計算步驟為：

步驟1 根據成橋狀態(tài)內力劃分施工階段，擬定各階段吊桿及背索張拉控制力目標值．

步驟2 調整吊桿力，計算得出此狀態(tài)下主塔塔頂水平位移及塔根處應力值，保證主塔塔根全截面受壓．

步驟3 調整背索力，計算得出此狀態(tài)下主塔塔頂水平位移及塔根處應力值，保證主塔塔根全截面受壓．

步驟4 重復步驟2、步驟3依次驗算并得出相應階段吊桿及背索張拉控制力．

步驟5 完成施工階段計算，達到成橋狀態(tài)．

采用有限元分析軟件RM進行分析，加勁梁、主纜與吊桿通過節(jié)段節(jié)點連接，建立桁架單元．主梁采用梁單元，主纜、吊桿采用索單元．主塔為墩節(jié)段，采用梁單元．主纜中心點通過剛性彈簧連接于主塔橫梁錨固點處，通過剛性接地彈簧將邊跨主纜錨固點固結，背索與吊桿張拉過程通過修改單元體內力FX0實現．

由于本橋為空間索面懸索橋，空纜狀態(tài)下中跨主纜面呈鉛直狀態(tài)，施工階段中添加吊桿，計算難以收斂．江東大橋曾在計算中，采用增加輔助吊桿的方法，解決中跨主纜索面偏轉角度的問題［6］．本文在計算中，將吊桿安裝分4步完成，將奇數編號吊桿與主纜單元一同激活，并施加吊桿單元張拉力；添加施工階段，調整背索初拉力；再安裝偶數編號吊桿，并施加初拉力；最后張拉背索．驗算各階段塔根應力，最終確定吊桿安裝階段各吊桿及背索初始張拉力．

吊桿安裝完成后，添加張拉施工階段．通過調整體內力，實現對施工階段吊桿、背索張拉的模擬．依次計算并驗算塔根應力，得到各階段張拉控制參量．計算結果表明，吊桿安裝完成后，經過3輪張拉可實現結構的體系轉換，其中每輪張拉分為吊桿張拉和背索張拉2步．各張拉工況完成時結構狀態(tài)計算值見表3．

吊桿安裝階段，主塔所受軸力較小，主塔塔根壓應力儲備較小，在施工中需隨張拉過程，監(jiān)測塔頂位移．在體系轉換前期，將吊桿張拉步長控制在一定范圍，隨著主纜軸力的增加，塔根拉應力儲備增大，張拉增量逐漸增長．

表3 背索張拉控制分析結果

6 結 論

1）對于主纜軸力在一定范圍內、使用先梁后纜的施工方法的懸索橋，通過無索鞍預偏施工方法，使用4臺千斤頂實現主塔施工階段中的糾偏，具有較好的可行性．此方法避免了在橋塔塔頂處安裝龐大的索鞍頂推裝置，免去了塔頂活動索鞍的安裝，能有效保證施工精度，節(jié)約施工成本．此方法對于大跨徑懸索橋施工，分索股張拉邊跨主纜的懸索橋，施工復雜，且張拉精度較難控制，無索鞍預偏施工具有一定的局限性．

2）無索鞍預偏施工方法計算分析中需精確計算出空纜狀態(tài)下，邊跨主纜放張量，及各施工階段吊桿及背索張拉力計算等控制參量，并計算相應施工階段下主塔受力狀態(tài)，保證施工中對結構狀態(tài)的準確把握．

3）根據計算結果，前3個工況主塔塔根處壓應力儲備較小，施工控制計算中，需對前期張拉控制力進行細分，且在施工過程中，加強對結構狀態(tài)的監(jiān)測．吊桿張拉過程中，張拉力步長采用前短后長的計算思路，可有效縮短結構體系轉換張拉次數．

［1］魏建東，劉忠玉．具有滑移式散索鞍的懸索橋主纜架設分析［J］．計算力學學報，2005（12）：755－761．

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［4］許世展，賀栓海，蓋軼婷．基于索鞍無預偏施工懸索橋的施工仿真［J］．長安大學學報：自然科學版，2007，27（7）：34－39．

［5］陳常松，陳政清，顏東煌．懸索橋主纜初始位形的懸鏈線方程精細迭代分析法［J］．工程力學，2002，23（8）：62－68．

［6］沈 洋．江東大橋空間纜自錨式懸索橋體系轉換分析研究［J］．上海公路，2009（1）：31－35．