自錨式懸索橋吊桿張拉過(guò)程結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律

黃少華，魏家樂(lè)

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100； 2.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710100)

自錨式懸索橋吊桿張拉過(guò)程結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律

黃少華1，魏家樂(lè)2

(1.中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100； 2.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710100)

針對(duì)自錨式懸索橋施工控制過(guò)程中吊桿張拉繁瑣、控制難度較高、結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)依托工程空間索面自錨式懸索橋建立有限元模型，并提出合理的張拉控制方案。結(jié)果表明：吊桿張拉過(guò)程中，主纜呈現(xiàn)出明顯的大位移非線性特點(diǎn)，吊桿之間相干性顯著、復(fù)雜，索塔的受力安全需要合理的索鞍頂推才能保證，加勁梁逐漸脫離支架實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，臨時(shí)和永久支座反力變化明顯。

自錨式懸索橋；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；有限元分析；吊桿張拉

0 引 言

自錨式懸索橋主纜直接錨固在主梁上，主纜的水平分力由主梁直接承受，因此主梁必須先于主纜施工。主梁的施工方法一般有支架架設(shè)法、節(jié)段吊裝法、頂推架設(shè)法和斜拉扣掛法等。在梁、纜都施工完成后再進(jìn)行吊桿張拉，這是自錨式懸索橋最關(guān)鍵的步驟，從而完成體系轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[1]～[5]給出了主梁脫架狀態(tài)的確定方法，研究在約束條件限值下，吊桿張拉次數(shù)和接長(zhǎng)桿數(shù)量比選的基本原則與方法。文獻(xiàn)[6]以江東大橋?yàn)橐劳校芯康鯒U張拉過(guò)程中纜索系統(tǒng)的受力特性，發(fā)現(xiàn)在吊桿張拉過(guò)程中，主纜的線形，內(nèi)力、吊桿力、加勁梁的線形和內(nèi)力，以及索鞍和索塔的位置等多參數(shù)耦合的影響下，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]介紹一種降溫法模擬調(diào)整吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的方法，實(shí)現(xiàn)吊桿張拉過(guò)程體系轉(zhuǎn)換，并對(duì)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]～[11]依據(jù)橋梁縮尺模型試驗(yàn)測(cè)試了體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中吊桿索力、主纜線形、索塔及加勁梁的響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述，自錨式懸索橋吊桿張拉體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，各種非線性問(wèn)題突出[12-13]，在一定張拉設(shè)備下如何用盡量少的吊桿張拉次數(shù)使最終索力達(dá)到設(shè)計(jì)值是一道難題；且對(duì)于空間索面自錨式懸索橋，由于主纜、吊桿、加勁梁及索塔等多參數(shù)高度耦合，體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)更為復(fù)雜，故目前研究較少涉及。本文通過(guò)有限元手段對(duì)吊桿張拉過(guò)程中主纜的大位移非線性、吊桿索力的相干性、索塔的變位和受力、加勁梁的變形和受力、永久和臨時(shí)支點(diǎn)的反力變化等結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，最終使受力及線形滿足施工及成橋狀態(tài)要求。

1 工程背景及有限元模型的建立

青島海灣大橋大沽河航道橋?yàn)楠?dú)塔自錨式懸索橋，跨徑布置為80 m+190 m+260 m+80 m。該橋采用四跨連續(xù)半漂浮體系，主跨及邊跨均為懸吊結(jié)構(gòu)，橋型布置如圖1所示。主纜邊跨矢跨比為1/18.04，主跨矢跨比為1/12.53。主纜為2根空間纜，橫橋向間距在塔頂處為2.5 m，在邊跨側(cè)后錨面為7.8 m，在主跨側(cè)后錨面為6.5 m。邊跨及主跨均設(shè)置吊桿，名義水平間距為12 m。邊跨有12對(duì)吊桿，主跨有17對(duì)吊桿，從青島側(cè)向黃島側(cè)編號(hào)依次為B1～B12、Z1～Z17。

采用空間有限元程序MIDAS/Civil建立模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，模型共有單元540個(gè)，節(jié)點(diǎn)602個(gè)，結(jié)構(gòu)離散圖如圖2所示，模型包含索塔、加勁梁、主纜和吊桿等。在模型中，索塔和加勁梁采用梁?jiǎn)卧M，主纜和吊桿采用只受拉索單元模擬，支架采用彈簧單元模擬，壓重采用集中荷載進(jìn)行模擬。

圖1 大沽河航道橋橋型布置(立面)

圖2 結(jié)構(gòu)離散圖

2 吊桿張拉特點(diǎn)

自錨式懸索橋空纜狀態(tài)與成橋狀態(tài)主纜線形相差巨大，大沽河航道橋的豎向變形達(dá)到近4 m，因此在吊桿張拉過(guò)程中需要接長(zhǎng)。由于張拉設(shè)備的數(shù)量和能力、吊桿承載力、主塔和加勁梁的承載力等各種因素的限制，全橋的吊桿需要多次分級(jí)張拉才能達(dá)到設(shè)計(jì)值。理想的方法是將吊桿無(wú)限次均勻張拉至設(shè)計(jì)值，但實(shí)際施工中將全橋吊桿張拉1遍需要花費(fèi)漫長(zhǎng)時(shí)間，這一過(guò)程包括千斤頂?shù)陌惭b與挪動(dòng)和接長(zhǎng)桿的安裝與拆卸等，占用大量的人力、物力，工期和造價(jià)方面都無(wú)法接受。因此，如何用盡量少的吊桿張拉次數(shù)使最終索力達(dá)到設(shè)計(jì)值是吊桿張拉過(guò)程中的重要問(wèn)題。

另外，吊桿張拉過(guò)程中各種非線性問(wèn)題突出，如主纜大位移非線性、吊桿的參與和退出工作、吊桿間力的強(qiáng)相干性、主纜與鞍座接觸非線性、索鞍的頂推非線性，加勁梁與支架的接觸非線性、主塔和加勁梁的梁柱P-Δ效應(yīng)非線性和混凝土材料的收縮徐變非線性等。所有這些非線性相互耦合作用使得吊桿張拉過(guò)程的計(jì)算極其復(fù)雜，在分析方法上與地錨式懸索橋差異巨大。

3 吊桿張拉方案

對(duì)于自錨式懸索橋，將吊桿一次均勻張拉至設(shè)計(jì)值是最理想的方法，但造價(jià)較高；多次分級(jí)張拉勢(shì)必會(huì)降低張拉效率。因此，制定一套好的吊桿張拉方案非常重要[14-16]。

本文對(duì)于大沽河航道橋，采用12臺(tái)千斤頂對(duì)3種不同編號(hào)的吊桿同時(shí)張拉，提出一套安全可行的吊桿張拉方案，張拉步驟見(jiàn)表1。

大沽河航道橋吊桿張拉過(guò)程主要控制因素為，吊桿張拉次數(shù)及最大張拉力、接長(zhǎng)桿數(shù)量、索鞍頂推次數(shù)、索塔塔頂最大位移、索塔根部應(yīng)力、加勁梁應(yīng)力、支點(diǎn)反力、配重時(shí)機(jī)。通過(guò)對(duì)上述張拉方案進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算與分析，各控制因素控制效果較好：吊桿通過(guò)15次張拉全部到位，索鞍通過(guò)2次頂推復(fù)位，臨時(shí)支架(支撐)通過(guò)5次全部拆除，壓重通過(guò)20次全部施加；吊桿的最大張拉力為3 068 kN，最大應(yīng)力為646.0 MPa，安全系數(shù)大于2.59；索塔的縱橋向最大位移為21.9 cm，最大壓應(yīng)力為13.0 MPa，最小壓應(yīng)力為0.4 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力；加勁梁最大壓應(yīng)力為100.1 MPa，最大拉應(yīng)力為89.7 MPa，滿足規(guī)范要求；臨時(shí)支點(diǎn)反力均不超過(guò)其加強(qiáng)構(gòu)造承載力；永久支座反力均不超過(guò)其容許承載力，且有一定安全儲(chǔ)備，其中索塔三角撐永久支座上的最小儲(chǔ)備為427 t；索鞍2次頂推復(fù)位，最后一次頂推在第7次吊桿張拉之后；考慮到壓重需人工施加，速度較慢，結(jié)合吊桿張拉方案，將青島側(cè)錨固區(qū)壓重1 541 t分15次施加，每次102.7 t，索塔塔區(qū)壓重544 t分5次施加，每次108.8 t，這樣施工單位有充分的時(shí)間施加壓重；吊桿傾斜角度在吊桿錨固鋼導(dǎo)管允許的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，且有較大富余，最小富余量為3.2 cm；吊桿長(zhǎng)度不夠時(shí)通過(guò)接長(zhǎng)桿方式接長(zhǎng)，接長(zhǎng)桿采用分段制造，每段長(zhǎng)1 m，最多使用44根接長(zhǎng)桿。

圖3 主纜在各吊桿張拉步驟的線形變化

4 主纜大位移非線性響應(yīng)

主纜作為懸索橋的主要承重構(gòu)件，具有柔性幾何可變性，其自身的彈性變形和幾何形狀的改變都可影響結(jié)構(gòu)體系的平衡，表現(xiàn)出的大位移非線性力學(xué)響應(yīng)是自錨式懸索橋最主要的非線性影響因素之一[17]。在施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)全橋若干吊桿的逐漸張拉，主纜的線形由空纜狀態(tài)逐漸逼近成橋狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。

按上述方案對(duì)吊桿張拉過(guò)程中的主纜變形進(jìn)行分析計(jì)算，主要張拉階段主纜高程變化如圖3所示。

表1吊桿張拉步驟

施工階段施工步驟施工內(nèi)容備注吊桿張拉前0索塔施工完畢,加勁梁安裝完畢,索塔鞍座安裝并設(shè)置預(yù)偏,主纜架設(shè)完畢,索夾、吊桿安裝完畢吊桿張拉過(guò)程1拆除2個(gè)過(guò)渡墩上的臨時(shí)支撐第1次拆除支架(支撐)2青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第1次施加錨固區(qū)壓重3將吊桿B12、Z1、Z2張拉到位第1次張拉吊桿4青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第2次施加錨固區(qū)壓重5將吊桿B11、B10、Z3張拉到位第2次張拉吊桿6青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第3次施加錨固區(qū)壓重7將吊桿B8、B9、Z4張拉到位第3次張拉吊桿8青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第4次施加錨固區(qū)壓重9拆除塔區(qū)(302#)支架第2次拆除支架10將吊桿Z5、Z6張拉到位,Z7張拉到1000kN第4次張拉吊桿11青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第5次施加錨固區(qū)壓重12索鞍頂推14.2cm第1次頂推索鞍13將吊桿B6、B7張拉到位,B5張拉到1000kN第5次張拉吊桿14主塔塔區(qū)壓重108.8t第1次施加塔區(qū)壓重15將吊桿Z7張拉到位,Z8張拉到3000kN,Z9張拉到2500kN第6次張拉吊桿16主塔塔區(qū)壓重108.8t第2次施加塔區(qū)壓重17將吊桿Z9張拉到2500kN,Z10張拉到2500kN,Z11張拉到2500kN第7次張拉吊桿18主塔塔區(qū)壓重108.8t第3次施加塔區(qū)壓重19索鞍頂推24cm,索鞍復(fù)位第2次頂推索鞍20拆除臨時(shí)墩一、邊跨錨固段(301#)支架和臨時(shí)墩二第3次拆除支架21將吊桿B5、B4張拉到位、B3張拉到2000kN第8次張拉吊桿22主塔塔區(qū)壓重108.8t第4次施加塔區(qū)壓重23拆除臨時(shí)墩六、邊跨錨固段(303#)支架和臨時(shí)墩七第4次拆除支架24將吊桿Z8、Z9張拉到位,Z10張拉到3000kN第9次張拉吊桿25主塔塔區(qū)壓重108.8t第5次施加塔區(qū)壓重26將吊桿Z10張拉到位,Z11張拉到3000kN,Z12張拉到3000kN第10次張拉吊桿27青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第6次施加錨固區(qū)壓重28將吊桿Z11張拉到位,Z12張拉到3000kN,Z13張拉到3000kN第10次張拉吊桿29青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第7次施加錨固區(qū)壓重30將吊桿Z12張拉到位,Z13張拉到3000kN,Z14張拉到2500kN第12次張拉吊桿31青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第8次施加錨固區(qū)壓重32將吊桿Z13、Z14張拉到位,Z15張拉到3000kN第13次張拉吊桿33青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第9次施加錨固區(qū)壓重34將吊桿Z15、Z16、Z17張拉到位第14次張拉吊桿35青島側(cè)錨固區(qū)壓重102.7t第10次施加錨固區(qū)壓重36將吊桿B3、B2、B1張拉到位第15次張拉吊桿37青島側(cè)錨固區(qū)壓重513.7t第11～15次施加錨固區(qū)壓重38拆除臨時(shí)墩三、四、五,吊桿張拉結(jié)束第5次拆除支架吊桿張拉后39施工橋面系等附屬工程40吊桿微調(diào)

通過(guò)計(jì)算分析可知，吊桿張拉過(guò)程中主纜位移變化的主要規(guī)律如下：主纜在吊桿張拉過(guò)程中的位移變化巨大，呈現(xiàn)出顯著的大位移非線性特點(diǎn)，在本方案中主纜累計(jì)位移變化達(dá)到3.3 m；主纜在開(kāi)始張拉時(shí)索力和剛度較小，每步變形較大；在逐漸張拉過(guò)程中索力和剛度也逐漸增大，每步變形逐漸變小；主纜在每步張拉中，張拉點(diǎn)位移變化較大，主纜單次位移變化最大超過(guò)2 m，附近點(diǎn)位移逐漸減小；同跨遠(yuǎn)離張拉點(diǎn)的部分點(diǎn)出現(xiàn)明顯的反向位移(最大達(dá)到-3.2 m)，后逐漸恢復(fù)正向位移；在后續(xù)吊桿張拉過(guò)程中，由于吊桿的限制，張拉過(guò)的節(jié)點(diǎn)位移基本不再發(fā)生較大變化；在開(kāi)始張拉過(guò)程中，主纜張拉點(diǎn)可能出現(xiàn)位移拐點(diǎn)，應(yīng)注意觀察以防止鼓絲情況出現(xiàn)；吊桿張拉過(guò)程中，由于主纜為空間纜，除了出現(xiàn)豎向位移，還將出現(xiàn)較大的縱橫向位移(本橋縱向位移最大超過(guò)1.5 m)，因此需注意吊桿傾斜角度在吊桿錨固鋼導(dǎo)管允許的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。

5 吊桿索力相干性響應(yīng)

對(duì)于自錨式懸索橋，吊桿張拉實(shí)現(xiàn)了體系轉(zhuǎn)換，是橋梁施工的關(guān)鍵工序，由于索力間的相互影響，吊桿張拉也是全橋的控制難點(diǎn)。由于主纜是柔性結(jié)構(gòu)，吊桿張拉過(guò)程中主纜變形較大，后張拉的吊桿會(huì)對(duì)之前張拉的吊桿產(chǎn)生較大影響，其相干性非常明顯。

按上述方案對(duì)吊桿張拉過(guò)程中的吊桿索力進(jìn)行分析計(jì)算，主要張拉階段吊桿索力變化如圖4、5所示。

圖4 張拉步驟28、36的吊桿索力

圖5 吊桿在不同階段的索力變化

通過(guò)計(jì)算分析可知，自錨式懸索橋在吊桿張拉過(guò)程中，吊桿索力變化的主要規(guī)律如下：吊桿索力在張拉過(guò)程中變化較大，無(wú)論張拉方式如何，最大出現(xiàn)索力(而非最大張拉索力)均需滿足一定安全系數(shù)；主纜在開(kāi)始張拉時(shí)剛度較小，吊桿可以一步張拉到位，但在逐漸張拉過(guò)程中主纜剛度逐漸增大，為保證吊桿索力在安全范圍，部分中部區(qū)域吊桿需多次張拉才能張拉到位；張拉吊桿對(duì)附近已張拉點(diǎn)索力影響巨大，往往出現(xiàn)急劇減小現(xiàn)象(即卸載現(xiàn)象，這對(duì)無(wú)法一次張拉到位的吊桿提供了解決辦法)，而遠(yuǎn)離張拉點(diǎn)索力卻出現(xiàn)逐漸增大現(xiàn)象，中間點(diǎn)索力逐漸過(guò)渡變化；吊桿張拉會(huì)引起索塔偏向張拉跨，這將導(dǎo)致鄰跨主纜垂度減小和吊桿索力的增大，因此相鄰跨吊桿需交替張拉以保證已張拉的吊桿索力不會(huì)超限；由于吊桿索力的相干性，張拉階段往往容易忽視部分吊桿可能出現(xiàn)的索力過(guò)小情況，應(yīng)保證最小索力在一定安全范圍，防止吊桿過(guò)小導(dǎo)致錨頭偏移或傾斜；由于主纜大變位影響，張拉前主纜上的吊點(diǎn)到加勁梁錨固點(diǎn)的距離大于吊桿長(zhǎng)度，必須設(shè)置接長(zhǎng)桿將吊桿錨頭張拉至錨點(diǎn)。為了方便使用及節(jié)省材料，接長(zhǎng)桿可采用分段設(shè)計(jì)，在使用時(shí)按需接長(zhǎng)。

6 索塔變位響應(yīng)

在自錨式懸索橋吊桿張拉過(guò)程中，索塔兩側(cè)主纜的水平分力發(fā)生不對(duì)等的增長(zhǎng)，空纜狀態(tài)預(yù)偏索鞍時(shí)索塔的平衡狀態(tài)逐漸被打破，索塔發(fā)生偏位，塔身出現(xiàn)不對(duì)稱的受力，需要及時(shí)對(duì)索鞍進(jìn)行頂推以保證索塔得到新的平衡狀態(tài)。

按上述方案對(duì)吊桿張拉過(guò)程中的索塔進(jìn)行分析計(jì)算，主要張拉階段索塔塔頂變位及應(yīng)力極值如圖6、7所示。

圖6 索塔塔頂縱橋向變位規(guī)律

圖7 索塔塔身應(yīng)力極值

索塔變位和受力主要規(guī)律如下：索塔在吊桿張拉前的空纜狀態(tài)時(shí)，塔頂索鞍進(jìn)行預(yù)偏，保證主纜在索塔兩側(cè)水平分力平衡，索塔不受水平不平衡力影響，結(jié)構(gòu)受力安全。但需注意，索塔此時(shí)為偏心受壓狀態(tài)，因此空纜狀態(tài)索塔塔頂仍有近2 cm位移；吊桿張拉應(yīng)保持相鄰跨交替進(jìn)行，以保證索塔不會(huì)出現(xiàn)較大的不平衡力。由于主邊跨跨徑不等，在吊桿張拉過(guò)程中主纜水平分力平衡狀態(tài)被打破，索塔在塔頂?shù)呢Q向和水平分力均逐漸增大，到一定程度時(shí)需進(jìn)行索鞍頂推以釋放新的不平衡水平力，保證索塔受力安全；索鞍頂推會(huì)造成索塔應(yīng)力的急劇變化，因此需保證索塔有足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備，以防止混凝土索塔開(kāi)裂。為提高張拉效率，索鞍頂推次數(shù)越少越好，且應(yīng)保證索鞍盡早頂推到位，防止塔頂主纜豎向分力過(guò)大導(dǎo)致索鞍難以頂推在吊桿張拉完畢的成橋狀態(tài)，索鞍處于索塔中心，索塔平衡受力，塔頂位移為0 cm，塔身應(yīng)力對(duì)稱。

7 加勁梁的變形響應(yīng)

吊桿張拉的過(guò)程也是加勁梁自重由支架向主纜轉(zhuǎn)換的過(guò)程，這一過(guò)程的初期由于被張拉吊桿的拉力往往較小，所以吊桿的張拉不會(huì)對(duì)加勁梁的受力產(chǎn)生明顯的影響，而隨著吊桿的不斷張拉，加勁梁的自重由單純支架支承變?yōu)橹Ъ芘c主纜共同支承，進(jìn)而最后變?yōu)榧觿帕和耆撾x支架，由主纜完全承受，從而實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，這期間加勁梁的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化。

按上述方案對(duì)吊桿張拉過(guò)程中的加勁梁進(jìn)行分析計(jì)算，主要張拉階段加勁梁高程變化及應(yīng)力極值如圖8、9所示。

圖8 加勁梁在各吊桿張拉步驟的高程變化

圖9 加勁梁在吊索張拉過(guò)程的應(yīng)力極值

通過(guò)計(jì)算分析可知，在吊桿張拉過(guò)程中，自錨式懸索橋加勁梁變形和受力的主要變化規(guī)律如下：由于吊桿力需要克服加勁梁自重，在張拉開(kāi)始的很長(zhǎng)一段時(shí)期，加勁梁基本不會(huì)脫離支架，受力也變化不大，而隨著吊桿的不斷張拉，加勁梁一旦脫離支架實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換后，每張拉一步，加勁梁的變形和受力狀態(tài)都會(huì)發(fā)生較大變化；由于張拉前采用大節(jié)段吊裝架設(shè)、簡(jiǎn)支變連續(xù)方式施工，加勁梁在臨時(shí)墩支架上處于簡(jiǎn)支受力的連續(xù)狀態(tài)，從而導(dǎo)致在吊桿張拉過(guò)程中加勁梁變形不均勻，在大節(jié)段跨中變形較大，支點(diǎn)變形較小，因此加勁梁在工廠拼裝施工時(shí)預(yù)拱度設(shè)置要求較高；在整個(gè)吊桿張拉過(guò)程中，邊跨最大變形為30 cm左右，在加勁梁整體彎矩逐漸增大的情況下，主纜在梁上錨固從而傳遞給加勁梁的軸向壓力也逐漸增大，鋼加勁梁處于較為安全的壓彎狀態(tài)，應(yīng)力儲(chǔ)備較大。

8 支點(diǎn)反力響應(yīng)

吊桿張拉過(guò)程中加勁梁與支架之間的相互作用力的變化是非線性的。最初，加勁梁的自重完全由臨時(shí)支架承擔(dān)，隨著吊桿的不斷張拉，加勁梁與支架之間逐漸脫離且實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。支架只承受壓力，不承受拉力，加勁梁和支架之間存在只壓不拉的接觸非線性關(guān)系。

永久支座同樣有一定的承載力要求，在吊桿張拉過(guò)程中，吊桿張拉和臨時(shí)支架的拆除都會(huì)引起永久支座反力的變化。因此吊桿張拉方案必須保證永久支座的安全，且不能出現(xiàn)負(fù)反力，需布置壓重以保證支座受力安全。

按上述方案對(duì)吊桿張拉過(guò)程中的支點(diǎn)反力進(jìn)行分析計(jì)算，各步驟臨時(shí)和永久支座反力如圖10、11所示。

圖10 各步驟11#臨時(shí)支座反力

圖11 各步驟永久支座反力

通過(guò)計(jì)算分析可知，自錨式懸索橋在吊桿張拉過(guò)程中的支點(diǎn)反力主要變化規(guī)律如下：在吊桿張拉過(guò)程中，加勁梁逐漸脫離支架從而實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，臨時(shí)支撐完全脫離，而永久支撐完全受力；臨時(shí)支架支撐反力總體逐漸減小，但在某些張拉步驟會(huì)出現(xiàn)增大現(xiàn)象，應(yīng)保證支點(diǎn)承載力及加勁梁局部加強(qiáng)構(gòu)造受力不能超限，臨時(shí)支撐一旦脫離應(yīng)立即拆除，防止某些階段梁體重新回落造成支撐偏離；由于主纜豎向分力及吊桿力逐漸增大和臨時(shí)支撐的逐漸拆除，永久支座反力也不停地發(fā)生變化，在保證其承載力滿足要求的前提下，也要防止負(fù)反力的出現(xiàn)，因此應(yīng)在張拉的合理階段逐漸施加壓重，保證支座受力在一定安全范圍。

9 結(jié) 語(yǔ)

在吊桿張拉的體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，空間索面自錨式懸索橋由于主纜、吊桿、加勁梁及索塔等多參數(shù)高度耦合，體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)更為復(fù)雜，本文通過(guò)有限元手段，對(duì)吊桿張拉過(guò)程中主纜的大位移非線性、吊桿索力的相干性、索塔的變位和受力、加勁梁的變形和受力、永久和臨時(shí)支點(diǎn)的反力變化等結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

(1)主纜呈現(xiàn)出顯著的大位移非線性特點(diǎn)；每步張拉中張拉點(diǎn)位移變化較大，附近點(diǎn)位移逐漸減小，同跨遠(yuǎn)離張拉點(diǎn)的部分點(diǎn)出現(xiàn)明顯的反向位移；在后續(xù)吊桿張拉過(guò)程中，張拉過(guò)的節(jié)點(diǎn)位移基本不再發(fā)生較大變化。

(2)開(kāi)始張拉時(shí)主纜剛度較小，吊桿可以一步張拉到位，但在逐漸張拉過(guò)程中主纜剛度逐漸增大，部分吊桿需多次張拉才能張拉到位；吊桿力在張拉過(guò)程中變化較大，最大索力和最小索力均需滿足一定安全系數(shù)；張拉吊桿導(dǎo)致附近已張拉點(diǎn)索力出現(xiàn)明顯卸載現(xiàn)象，而遠(yuǎn)離張拉點(diǎn)索力及鄰跨索力卻出現(xiàn)增大現(xiàn)象。

(3)索塔在吊桿張拉前的空纜狀態(tài)處于平衡，在張拉過(guò)程中主纜水平分力不再平衡，需進(jìn)行索鞍頂推以保證索塔受力安全；索鞍頂推會(huì)造成索塔位移和應(yīng)力出現(xiàn)急劇變化，因此應(yīng)盡早頂推且頂推次數(shù)越少越好；成橋狀態(tài)的索鞍已頂推至索塔中心，索塔恢復(fù)平衡受力狀態(tài)。

(4)在吊桿張拉開(kāi)始的很長(zhǎng)一段時(shí)期，加勁梁基本不會(huì)脫離支架，隨著吊桿的不斷張拉，加勁梁一旦脫離支架實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，后期每一步張拉都將引起加勁梁變形和受力的較大變化；整個(gè)張拉過(guò)程中加勁梁基本處于較為安全的壓彎狀態(tài)，但加勁梁線形特點(diǎn)對(duì)其預(yù)拱度設(shè)置提出了較高的要求。

(5)在吊桿張拉過(guò)程中，加勁梁逐漸脫離支架從而實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，臨時(shí)支撐完全脫離，而永久支撐完全受力；臨時(shí)支架支撐反力在某些張拉步驟會(huì)出現(xiàn)增大現(xiàn)象，應(yīng)保證支點(diǎn)承載力及加勁梁局部加強(qiáng)構(gòu)造受力不能超限；永久支座反力應(yīng)保證其承載力滿足要求，必要時(shí)應(yīng)在合理階段逐漸施加壓重防止負(fù)反力的出現(xiàn)。

[1] 邱文亮，張 哲.自錨式懸索橋施工中的吊桿張拉方法研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47(4)：532-536.

[2] 羅 實(shí).自錨式懸索橋吊桿力調(diào)整過(guò)程研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[3] 劉小飛.自錨式懸索橋吊桿張拉計(jì)算和有限元分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006.

[4] 李照眾.自錨式懸索橋吊桿張拉計(jì)算及施工控制分析[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2009.

[5] 邢 智.自錨式懸索橋吊桿張拉過(guò)程優(yōu)化分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[6] 柯紅軍，李傳習(xí)，張玉平.雙塔大橫向傾角空間主纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換方案與控制方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(11):94-101.

[7] 牛登輝，周志祥，吳海軍.自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換過(guò)程的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，33(1):21-24.

[8] 張俊平，黃海云，劉愛(ài)榮，等.空間纜索自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中受力行為的全橋模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2011，44(2):108-115.

[9] 沈銳利，齊東春，唐茂林.杭州江東大橋靜力特性全橋模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(1):74-80.

[10] 胡建華，沈銳利，張貴明，等.佛山平勝大全全橋模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(5):17-25.

[11] 王 楨.超大跨徑自錨式懸索橋幾何非線性行為理論與試驗(yàn)性能研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2013.

[12] 李傳習(xí).混合梁懸索橋非線性精細(xì)計(jì)算理論研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

[13] 邱文亮.自錨式懸索橋非線性分析與試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.

[14] 李傳習(xí)，柯紅軍，劉 建，等.平勝大橋體系轉(zhuǎn)換施工控制的關(guān)鍵技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(4):49-54.

[15] 李傳習(xí)，柯紅軍，楊 武，等.黃河桃花峪自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換方案的比較研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47(9):120-127.

[16] 王邵銳，周志祥，吳海軍.超大跨自錨式懸索橋施工過(guò)程中力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47(6):70-77.

[17] 楊孟剛， 陳政清.自錨式懸索橋施工過(guò)程模擬分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，33(2):26-30.

StructuralResponseofBoomTensioningProcessofSelf-anchoredSuspensionBridge

HUANG Shao-hua1, WEI Jia-le2

(1. Second Engineering Company of CCCC Tunnel Engineering Co., Ltd., Xi’an 710100, Shaanxi, China;2. Shaanxi Tongyu Highway Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710100, Shaanxi, China)

Aiming at the troublesome process, the difficulty of construction control and the complex structural response during the boom tensioning of self-anchored suspension bridge, the finite element model of a self-anchored suspension bridge with spatial cables was established, and a reasonable tension control scheme was put forward. The results show that the main cable exhibits a significant displacement nonlinearity during the lifting process of the boom; the coherence between the booms is noticeable and complex; a reasonable saddle thrust is needed to ensure the stress state of the cable tower; the stiffened beams are gradually separated from the brackets and achieve system conversion; the reaction force of the temporary and permanent supports changes significantly.

self-anchored suspension bridge; structural response; finite element analysis; boom tensioning

U442.5

B

1000-033X(2017)11-0118-08

2017-03-27

黃少華(1975-)，男，湖北潛江人，高級(jí)工程師，工程碩士，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道施工。

[責(zé)任編輯:高甜]