超長斜拉索軟硬組合牽引系統(tǒng)安裝受力機(jī)理

饒華容，游新鵬

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一批跨大江、跨海灣特大跨斜拉橋逐步開工建設(shè)，且跨度越來越大，作為斜拉橋主要受力構(gòu)件的斜拉索也隨之加長、加重，軟、硬組合牽引工藝在斜拉索安裝中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以蘇通大橋?yàn)槔龑洝⒂步M合牽引系統(tǒng)受力機(jī)理進(jìn)行分析，論述軟、硬組合牽引系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)。蘇通大橋主橋是雙向6車道的雙索面鋼箱梁斜拉橋，主跨為1 088 m，是目前世界上已建成的最大跨度斜拉橋。其索塔高達(dá)300.4 m，最長斜拉索達(dá)577 m，重達(dá)59 t。

2 概述

蘇通大橋超長索的施工采用梁端軟硬組合牽引、梁端張拉的方法，其主要施工程序?yàn)椋簶蛎娴跛麒燔囌w提升索盤上橋面→橋面卷揚(yáng)機(jī)牽引斜拉索橋面展開→斜拉索塔端掛設(shè)→橋面卷揚(yáng)機(jī)、連續(xù)千斤頂及張拉千斤頂分別依靠鋼絲繩、鋼絞線和張拉桿牽引梁端錨頭入索套管錨固→梁端進(jìn)行張拉及塔端調(diào)索。

斜拉索梁端牽引的角度調(diào)整系統(tǒng)通過安置在橋面吊機(jī)上的組合牽引系統(tǒng)輔助完成，減輕了懸臂端臨時(shí)荷載的重量，同時(shí)也減小了作業(yè)空間。牽引系統(tǒng)如圖1所示。

斜拉索牽引主要分成5個(gè)步驟：

第一步：在梁端錨頭處安裝夾具、吊具，卷揚(yáng)機(jī)牽引梁端錨頭前行，汽車吊提升梁端錨頭上導(dǎo)向滾輪及導(dǎo)向架。

第二步：卷揚(yáng)機(jī)牽引梁端錨頭至橋面吊機(jī)處后，安裝組合張拉桿及軟牽引裝置，安裝提升夾具，連接角度調(diào)整手拉葫蘆及50 t汽車吊，調(diào)整角度。

圖1 梁端牽引系統(tǒng)示意圖

第三步：橋面卷揚(yáng)機(jī)滑車組牽引斜拉索前行，當(dāng)張拉桿中心線同索套管重合后改換連續(xù)千斤頂牽引斜拉索。

第四步：連續(xù)千斤頂牽引張拉桿出900 t穿心千斤頂后，移走50 t汽車吊，拆除卷揚(yáng)機(jī)牽引裝置，30 t手拉葫蘆2在夾具2處提升斜拉索調(diào)整角度，拆除連續(xù)千斤頂安裝張拉螺母。

第五步：30 t手拉葫蘆1、2、3調(diào)整角度，900 t穿心千斤頂牽引斜拉索直至所有加長張拉桿出千斤頂面，拆除所有加長張拉桿，至此斜拉索梁端掛設(shè)完成。

3 牽引過程仿真分析

3.1 斜拉索脫離橋面前分析

斜拉索在展開及塔端掛設(shè)完成后，斜拉索所在的狀態(tài)為塔端錨固，梁端錨頭由卷揚(yáng)機(jī)牽引向梁端錨固點(diǎn)移動(dòng)。隨著錨頭的移動(dòng)，本來由小車支承的斜拉索逐漸脫開，直到所有的斜拉索完全脫離橋面[1]。

圖2為牽引過程示意圖，（a）為拉索脫離地面前的狀態(tài)；（c）為拉索脫離地面后的狀態(tài)；（b）則是狀態(tài)（a）和（c）的臨界狀態(tài)，拉索剛好脫離地面，并且索右端點(diǎn)的斜率恰好為0。

圖2 牽引過程示意圖

下面以蘇通大橋J34號索為例分別對這3種狀態(tài)進(jìn)行解析。

由于懸空段拉索與水平地面接觸時(shí)，接觸點(diǎn)位置x0不斷變化，但x0處斜率始終為0，為方便求解，設(shè)懸空段拉索的線形方程[2]為：

由塔端錨固位置的邊界條件可得：在x0處的邊界條件已自然滿足。

懸空段拉索的無應(yīng)力長度[3]為：

忽略地面摩擦力，則地面段拉索的無應(yīng)力長度為：

根據(jù)拉索的無應(yīng)力長度不變，可得：

式中：S0為拉索設(shè)計(jì)無應(yīng)力總長；h為拉索豎直投影長度；L為拉索水平投影長度；H為拉索牽引力水平分力；q為拉索線密度；E為拉索彈性模量；A為拉索鋼絲截面積。

下面確定臨界狀態(tài)的線形參數(shù)及對應(yīng)的牽引位置。

令x0=L=L0，則解得L0=518.516 m，K=641.277 m，H=646.407 kN。

因此，索剛好脫離地面時(shí)，索牽引到距塔端518.516 m的位置。

3.2 斜拉索脫離橋面之后分析

對斜拉索脫離橋面之后，安裝組合張拉桿以及軟牽引用鋼絲繩，采用吊車以及組合牽引系統(tǒng)的手拉葫蘆輔助，逐步調(diào)整角度，進(jìn)入索道管，到達(dá)錨固位置，安裝張拉千斤頂。采用3-D有限元軟件MIDAS對過程進(jìn)行仿真分析。

3.2.1 計(jì)算模型及工況分析

模型中斜拉索采用索單元進(jìn)行模擬，張拉桿采用梁單元進(jìn)行模擬，斜拉索和張拉桿的材料和截面特性如表1。

表1 計(jì)算模型中采用材料截面特性表

根據(jù)斜拉索牽引實(shí)際狀態(tài)，將牽引全過程劃分為如表2工況。

3.2.2 結(jié)果

各階段斜拉索索力牽引力及手拉葫蘆吊點(diǎn)反力結(jié)果見表3。可以看出，在調(diào)整角度階段采用手拉葫蘆將張拉桿和斜拉索連接處吊起，斜拉索索力有所減小。斜拉索索力減小的時(shí)候，牽引力還是略有增加。牽引到位時(shí)需要牽引力為928 kN，最大的吊點(diǎn)反力為牽引到位時(shí)的268 kN。

表2 分析工況表

表3 斜拉索索力牽引力及手拉葫蘆吊點(diǎn)反力kN

4個(gè)階段張拉桿應(yīng)力圖如圖3所示。

圖3 張拉桿應(yīng)力圖

可以看出，角度調(diào)整對張拉桿受力的影響很小，此時(shí)張拉桿內(nèi)的應(yīng)力水平很低。

4 角度調(diào)整影響分析

張拉桿進(jìn)入索道管時(shí)，角度調(diào)整同時(shí)進(jìn)行，在角度調(diào)整以及牽引進(jìn)入索道管的過程中，手拉葫蘆所需要的起吊力不斷發(fā)生變化，對4個(gè)工況進(jìn)行了模擬（見表4）。

通過計(jì)算分析，可以得到4個(gè)工況對應(yīng)的吊點(diǎn)反力，即手拉葫蘆處的吊點(diǎn)反力變化如圖4所示。

可以看出，手拉葫蘆處吊點(diǎn)反力在牽引到位時(shí)最大，中間的調(diào)整階段吊點(diǎn)反力隨著張拉桿進(jìn)入索道管逐漸變大，吊點(diǎn)反力最大達(dá)到268 kN。

表4 角度調(diào)整影響分析工況

圖4 張拉桿角度調(diào)整吊點(diǎn)反力示意圖

角度調(diào)整對斜拉索索力及牽引力的影響見表5。

斜拉索索力與張拉桿牽引距離有關(guān)系，在張拉桿到達(dá)指定千斤頂安裝位置時(shí)，斜拉索平均索力為982 kN。牽引力也隨著牽引的進(jìn)行逐漸增大，最大牽引力為928 kN。

各階段張拉桿應(yīng)力如圖5所示，可以看出張拉桿在牽引過程中應(yīng)力水平始終在較低的水平。

表5 各工況斜拉索索力以及牽引力結(jié)果

圖5 張拉桿應(yīng)力圖

5 結(jié)論

蘇通長江公路大橋于2007年6月10日順利合龍，仿真分析理論計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測情況基本吻合，通過仿真分析以及現(xiàn)場實(shí)測情況證實(shí)：

（1）軟、硬組合牽引工藝滿足超長索安裝需要，該系統(tǒng)用于超長索牽引可行。

（2）本例中斜拉索安裝硬牽引系統(tǒng)（張拉桿）在整個(gè)牽引過程中應(yīng)力水平較低，可確保硬牽引施工安全；軟牽引過程中，牽引力與吊點(diǎn)反力逐步增大，牽引到位時(shí)，牽引力為928 kN，吊點(diǎn)反力為268 kN，現(xiàn)有軟牽引及角度調(diào)整設(shè)備完全能夠滿足施工需求。

（3）角度調(diào)整與牽引同時(shí)進(jìn)行，角度調(diào)整對硬牽引（張拉桿）受力影響較小。

[1]陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)[M].人民交通出版社，2004.

[2]（美）斯科臺克（Schodek，D.L.）.建筑結(jié)構(gòu)分析方法及其設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].羅福午，楊軍，曹俊，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]路志浩，陳以一.一般情況下小垂度索的剛度方程及其應(yīng)用[J].力學(xué)季刊，2000，21（2）.