單跨懸索橋主索鞍頂推施工控制研究

(重慶市市政設計研究院 重慶 400020)

單跨懸索橋主索鞍頂推施工控制研究

李國強

(重慶市市政設計研究院重慶400020)

懸索橋在施工過程中,要求主纜的索股在索鞍中不發生相對的滑移,以免主纜的索股受到磨損。這使得在加勁梁吊裝過程中，主塔會發生很大位移。為了確保懸索橋的主塔在加勁梁吊裝過程中始終處于安全受力狀態，合理確定主索鞍頂推量和頂推階段至關重要。以重慶寸灘長江大橋為工程背景，提出了一種通過有限元模型模擬索鞍頂推過程的方法，實現了索鞍頂推時機、頂推力大小及頂推量的同時求解。

懸索橋；索鞍頂推；反力架；頂推力

主索鞍是塔頂承受主纜的主要構件，在懸索結構施工控制中，鞍座頂推起著重要作用。加勁梁吊裝施工中索塔的理想狀態是只承受偏心豎向壓力，無偏位，這只有鞍座在塔頂可以自由滑動時才能達到。在實際加勁梁吊裝施工時，鞍座如果縱向無約束，可能會克服摩擦力，出現大幅度滑移，因此在施工過程中鞍座通常與塔頂做臨時固結。但隨著主跨吊裝梁段數增加，中跨荷載與邊跨荷載差值越來越大，中跨側與邊跨側主纜水平分力差值也越來越大，邊塔和邊塔鞍座向中塔側偏移，導致邊塔塔底岸側壓應力逐步減少甚至出現拉應力，跨中側壓應力不斷增加。為避免塔底不出現拉應力，需要在主梁吊裝過程中對塔頂主索鞍進行頂推。

一、工程概況

寸灘長江大橋位于重慶機場專用快速路工程南段，全長1.6km，里程樁號范圍k2+600～k4+200，為城市快速路，設計速度80km/h，雙向八車道，包括跨江主橋和南北引橋兩部分，跨江主橋為主跨880m的單跨懸索橋，橋面寬度38m，南北兩岸引橋總長720m。

懸索橋采用有限元軟件分析時要根據研究目標來建立相應精度的模型，本模型采用設計計算通用有限元分析軟件Midas/Civil 2015。該模型由633個單元組成，其中含有節點683個。采用33個施工階段對整個施工過程及鋼箱梁吊裝過程進行模擬，計算解得了各個施工階段的內力、位移以及應力結果。

二、頂推分析的計算

(一)主索鞍頂推的原因

懸索橋空纜狀態時主纜內力相當于成橋狀態主纜內力減去吊索、加勁梁荷載引起的內力，中跨減小多，邊跨減小少，如果結構跨度不發生變化，空纜狀態時邊塔兩側主纜內力水平分量差必然很大，不平衡分力就會由邊塔變形來消除，可能導致以下后果：

(1)不平衡力導致橋塔偏位和橋塔塔底彎矩很大，這種狀況對于混凝土高聳結構的橋塔是非常危險的；

(2)不平衡力可能導致主纜克服鞍槽內的摩擦力滑動，主纜架設精度難以保證；

(3)鞍槽摩擦將不平衡力從主纜傳遞至索鞍，保證索鞍在橋塔上不發生滑動需要的索鞍限位裝置要求較高，增加施工難度，提高造價。

基于以上原因必須盡量減小主纜不平衡力，而懸索橋主纜內力受跨度影響很大，因此懸索橋施工中通過在邊塔索鞍設置預偏和索鞍頂推的方式來改變跨度，進而改善主纜內力，使橋塔偏位和塔底彎矩在控制范圍內。

(二)索鞍預偏量計算原則

對懸索橋鞍座頂推量與頂推時間是否選擇恰當，主要應驗算橋塔塔底的應力以及主纜在鞍槽內的抗滑移安全系數。

對于混凝土橋塔塔底應力驗算，文獻[1]指出:對于混凝土橋塔塔底應力的控制，一般采用截面不出現拉應力且壓應力小于0.5倍的軸心抗壓強度標準值;但對于施工短暫狀況，可考慮將不出現拉應力的條件放寬到拉應力不大于0.7倍的軸心抗拉強度標準值。文獻[2]指出橋塔截面應保持一定的壓應力，以避免施工過程中因偶然荷載或突發情況導致應力減少至0，甚至出現較大拉應力。可見目前對塔底應力的控制沒有統一的標準。嚴格控制塔底不出現拉應力，必將增加頂推次數，施工較繁瑣;若放寬限制容許塔底出現較大拉應力，則在風荷載、溫度梯度、施工臨時荷載等不確定性荷載的作用下，可能危及橋塔的安全。從施工方便和安全性綜合考慮，混凝土橋塔塔底應力按照不出現大于0.5MPa的拉應力且壓應力小于0.50倍的軸心抗壓強度來控制為宜。

(三)頂推過程的有限元模擬方法

加勁梁吊裝過程中，由于主索鞍與塔頂臨時固結，隨著加勁梁吊裝施工的進行及中跨荷載的增加，主索鞍跟著主塔移動，移動量與塔頂縱向位移量相同。在主索鞍頂推施工過程中，由于主纜的剛度遠遠大于主塔的抗推剛度，因此在頂推過程中主索鞍與主纜的相對坐標并沒有發生變化，而索塔中心的絕對坐標發生變化。從實際結果來說，主索鞍并非是被“頂推”向中跨，而是從中跨被“拉”回到原豎直位置。在不計索塔水平抗推剛度的情況下，塔頂的偏位等于鞍座的自由滑移量。

本文為了在有限元軟件中模擬這一施工過程，在模型中加入了一個剛性桿，分別與主索鞍及主塔塔頂剛性連接，如圖1所示。剛性連桿的剛度比主纜系統水平剛度大3～4個數量級，并通過升溫作用產生的桿長變化約等于其自由伸縮量。這樣一來，頂推時可控制位移，非頂推時可實現鎖定，同時可查看連桿內力。通過這種方法，實現主索鞍在施工階段頂推的全過程模擬。同時得到主塔塔偏變化、塔底應力變化、索鞍偏心豎向荷載傳遞及索鞍頂推期間相對位移控制情況。

圖1 主索鞍頂推模擬

三、結論

本文以寸灘長江大橋為案例，通過索鞍頂推精細化分析得到一些有意義的結論，小結如下。

(1)本文使用的有限元軟件主索鞍頂推過程模擬方法，實現主索鞍在施工階段頂推的全過程模擬。同時得到主塔塔偏變化、塔底應力變化、索鞍偏心豎向荷載傳遞及索鞍頂推期間相對位移控制情況。

(2)索鞍頂推的實質其實就是控制塔頂位移，頂推時序的確定應抓住橋塔的水平力變化規律來設置。

(3)在加勁梁吊裝初期,主索鞍的自由滑移較快,而索塔的容許水平偏位相對吊裝后期卻較小,因此相應地頂推的間隔時間較短;在吊裝后期,自由滑移較慢,索塔的容許水平偏位也較大,相應的頂推的間隔時間較長,每次的頂推量也較大。反映了后期梁段的吊裝對主纜剛度的影響越來越小。

[1]孫勝江，姜軍.懸索橋索塔容許偏位及主索鞍頂推分析[J].公路，2007，10:54-57

[2]何為,項貽強，徐興.懸索橋施工中索鞍頂推的小步快跑原則[J].浙江大學學報(工學版)，2007，41(1):134-138

[3]沈銳利.懸索橋主纜系統設計及架設計算方法研究[J].土木工程學報，1996，29(2):3-9

李國強(1990-)，男，重慶巴南區人，重慶市市政設計研究院，主要從事市政橋梁設計工作。