獨塔非對稱自錨式空間懸索橋體系轉換

黃子能，李 珊，牙舉鵬

（柳州歐維姆機械股份有限公司 柳州市 545005）

自錨式懸索橋是將主纜直接錨固在加勁梁上，從而取消了龐大的錨碇。它繼承了地錨式懸索橋造型優美的特點，又具有造價低的優點，為在城市空間受到限制或不方便建造錨碇的地方修建懸索橋提供了一種好的解決辦法。

目前，自錨式懸索橋已由平面纜索結構向空間纜索結構方向發展。空間纜索懸索橋的主纜吊索均呈空間線形，并形成了一個三維纜索結構體系，其具有以下的優點：纜索系統的橫向承載能力得到顯著提高，從而提高了整個橋梁的橫向剛度和抗扭剛度；空間纜索懸索橋的結構更加穩定、造型更加優美。近年來，自錨式空間懸索橋得到不錯的發展，比較典型的懸索橋，國外有韓國永宗大橋和奧克蘭海灣大橋；國內有松原天河大橋、天津富民橋和杭州江東大橋。

1 工程概況

太原市通達街汾河橋位于太原城市南部的汾東新區，是太原城市南部溝通城市東西區域的重要橋梁。該橋為獨塔非對稱自錨式空間懸索橋，主橋分為主跨和邊跨，跨徑布置為208m+133m，橋梁布置圖見圖1。

該橋共設兩根主纜，采用PPWS法編制，單根主纜由37股PPWS5.7-127索股組成。兩根主纜為空間纜索結構，在塔頂索鞍處間距為20m，逐步過渡至散索點處的間距為46m左右。主跨設置20對吊索，邊跨設置13對吊索，為非對稱結構。吊索采用Φ7-109冷鑄錨平行鋼絲索體，鋼絲強度為1770MPa，吊索的破斷力為7425kN。吊索上端與索夾連接的叉耳設置有可適應±8°轉動的關節軸承，下端錨具采用球形支座和球形螺母結構，與鋼箱梁錨固。吊索的結構可適應橫橋向、順橋向的雙向轉動，有利于空間懸索橋體系轉換的實施。

2 施工特點及難點

自錨式懸索橋是依靠加勁梁來傳遞主纜的水平力，由于其獨特的受力特性，在施工控制過程中的受力比較復雜，一般采用“先梁后纜”的施工方法：施工時，加勁梁要在主纜架設之前先連接為整體，并支承于支架上，再進行主纜的架設。待主纜的垂度調整至空纜線形后，安裝并張拉吊索，同時進行索鞍頂推，完成懸索橋體系的轉換。太原市通達街汾河橋為獨塔非對稱自錨式空間懸索橋，相對于一般自錨式懸索橋而言，其體系轉換存在諸多的施工難點：

（1）主纜為空間纜索結構，體系轉換過程中，其幾何非線性特征較為明顯，主纜會發生扭轉，給索夾的安裝和預偏傾角的控制帶來很大難度。

（2）體系轉換過程中，主纜從空纜狀態到成橋狀態，在橫橋向和豎直向均發生非線性大位移，主纜線形相差很大，導致吊索的調節量不夠，需增加連接桿來實現吊索臨時錨固。

（3）該橋的主跨和邊跨呈非對稱結構，體系轉換過程中，會導致主塔兩側產生不均衡的水平分力，并引起索鞍水平方向的非線性位移，這些非線性互相耦合使得吊索張拉過程的計算相當復雜，而且在分析方法上與常規自錨式懸索橋存在較大區別。

3 體系轉換施工

3.1 體系轉換控制因素

在吊索張拉初期，主梁重量主要由臨時支墩支撐，主纜處在空纜狀態，受力較少。在中、后期施工過程中，隨著吊索張拉數量的增大，主梁的荷載由臨時支墩逐漸轉移到主纜上，主纜的內力越來越大，主纜的幾何剛度會逐漸增加，吊索的張拉應力必須控制在安全的范圍內。對于橋塔，主纜不平衡水平力過大會導致橋塔產生較大的彎矩，使橋塔變形甚至開裂，因此要控制好索鞍的預偏量及頂推。體系轉換過程中，應考慮以下的控制因素：

（1）在空纜狀態下，可無應力安裝的吊索優先安裝；

（2）體系轉換過程中，保證吊索的安全系數≥2.0；

（3）體系轉換過程中，保證主梁的應力、線形滿足規范要求，吊索張拉初期，主梁的應力不宜過大，可通過多次調整，保證最后階段控制在規范的范圍內；

（4）控制好索鞍的頂推量，使體系轉換過程中及成橋狀態的橋塔保持豎直，保證橋塔的最大彎矩在規范范圍內。

3.2 體系轉換施工流程

該橋體系轉換的施工流程圖如圖2所示。

3.3 體系轉換施工過程

（1）索夾的安裝

該橋為空間纜索結構，主纜從鉛垂面向空間轉換，必然產生扭轉，為減少扭轉角，索夾安裝時需要進行預偏角度。按照模擬計算的結果進行索夾的安裝以及角度預偏。

（2）吊索安裝

利用吊裝設備將吊索吊起，將吊索上端與索夾耳板用銷軸連接。對于不需要張拉的吊索，可直接將下端錨頭放入鋼導管并錨固在鋼箱梁下端的錨墊板上，而對于需要張拉的吊索，則先將張拉桿與吊索的下端錨頭連接，再將下端錨頭放入鋼導管內。

（3）體系轉換方案

體系轉換是將橋梁的承載力由支架承載轉換到主纜及吊索承載的一個過程，吊索張拉的次數、索鞍頂推的次數和連接桿的長度及數量將影響到體系轉換施工的工作量、工期以及成橋后纜索系統的整體受力，因此，應制定合理的體系轉換方案。該橋采用Midas／civil 2015有限元分析軟件，進行了三維建模結構分析和模擬計算，模型三維圖見圖3。三維建模結構分析：體系轉換過程中，所有吊索的最大應力分布見圖4，圖中顯示：吊索的最大應力為784MPa，那么安全系數：1770／784＝2.26≥2.0，滿足設計要求，由此確定了最優的體系轉換方案。

擬定的體系轉換方案中，吊索的張拉順序為從主塔向兩側依次張拉，先對主跨的7對吊索進行張拉后，主跨、邊跨同時張拉。每對吊索的張拉次數不超過3次，每個吊點的張拉力控制3500kN以內，整個體系轉換過程需要29步完成，具體的施工步驟如表1所示。

（4）吊索的張拉

該橋為空間纜索結構，體系轉換過程中，從空纜狀態到成橋狀態，主纜線形在橫橋向和豎直向均發生變化，導致吊索錨具的調節量不夠，需要采用連接桿來實現吊索臨時錨固，經過三維建模結構分析和模擬計算，每根吊索連接桿的長度參數如表2所示。鑒于吊索的錨固點在鋼箱梁底部，體系轉換時，制作一個可移動的張拉平臺，利用YCW400B系列千斤頂配合張拉桿、張拉設備等附件進行吊索張拉，吊索張拉結構如圖5所示。

表1 體系轉換方案

表2 吊索連接桿長度

（5）索鞍的頂推

自錨式懸索橋在體系轉換過程中，因吊索張拉產生不平衡水平力，會導致塔頂發生偏移。依據三維建模結構分析：體系轉換過程中，主塔會向主跨側產生豎向縱移，最大位移量為65mm。因此，該橋索鞍在初始安裝時，預先向邊跨側偏移65mm，并在索鞍的邊跨側安裝兩臺千斤頂用于索鞍頂推。體系轉換過程中，利用塔頂反力支架和千斤頂將索鞍分次頂推至規定位置，其頂推的位移量需結合塔頂位移、塔身應力以及模擬計算加以確定。隨著主索鞍的多次頂推，使索鞍回到無偏移狀態，然后固定索鞍，最終完成體系轉換。

4 結語

體系轉換仍是自錨式懸索橋體系在施工過程中重點控制的環節，需通過三維建模結構分析和模擬計算，并進行綜合比選來制定最優的體系轉換方案。太原通達街汾河橋采用擬定的最優方案進行體系轉換施工，并嚴格監控施工過程，歷時40多天最終完成了體系轉換。成橋后的索力值與理論索力較為吻合，主纜線型與設計線形基本一致，驗證了三維建模結構分析和模擬計算的必要性和可靠性，可以為同類型自錨式空間懸索橋的施工提供可借鑒的經驗及參考。