極不平衡轉體斜拉橋配重拉索施工關鍵技術研究

王石

橋梁轉體施工首先出現在跨越山谷、河流，且為豎轉形式，隨著科學技術的發展和橋梁建設者的創新，平轉、豎轉+平轉逐漸出現。水平轉體施工主要應用在具有自平衡結構體系的橋梁，如連續梁、連續剛構橋等。而如今不平衡轉體能夠克服特殊的場地限制而更具科研價值。

龍巖大橋190m+150m 不平衡斜拉橋通過設置轉體施工壓重實現平衡轉體；唐山二環路上跨津山鐵路不平衡斜拉橋通過設置水袋解決配重問題，實現平衡轉體；滬昆客專南西及西北上行聯絡線上跨武廣高鐵112m+84m 不平衡斜拉橋，通過在53m 梁段配重7.8 t/m 實現平衡轉體。然而配重與斜拉索張拉順序和支架承載能力關系的相關研究并不完善，本文將結合哈西大橋研究考慮支架承載能力的極不平衡轉體斜拉橋配重拉索施工技術。

一、工程概況及特點

哈西大橋跨徑布置（118+198+118）m，上跨哈南編組站48 條鐵路既有線，是我國跨越鐵路線路最多的雙塔雙索面轉體斜拉橋。主梁采用雙向預應力混凝土雙主梁肋板式輕型柔性結構，兩縱梁間設預應力混凝土橫梁，縱梁寬1.8m，橫梁寬0.42m，頂板寬29.8m，頂板厚0.3m。采用雙塔雙轉體法施工，單側主塔和連續梁重29000t，合計58000t，為我國東北地區最重轉體斜拉橋。其中10#墩主梁懸臂長（90+107）m，不平衡重達1300t，在中跨側6#索至13#索43m 范圍內配重31.47t/m，不平衡重為國內之最。

二、斜拉索張拉施工技術

斜拉橋的索力調整是一個保證結構安全、改善橋梁線形的主動、有效手段，索力調整計算模型選取主梁標高誤差最小為目標函數，以結構內力作為約束條件。拉索索力監控單位結合設計及監控結果，通過計算給出。

橋梁主梁采用支架法分段現澆施工，主梁施工完成后，張拉橫梁預應力、縱梁預應力、橋面板預應力；待主塔上橫梁施工完成后開始掛索施工，掛索完成后轉體前進行初次張拉調索，索力按照設計初張力進行張拉控制。張拉設備應按預應力施工的有關規定進行標定。

斜拉索張拉的順序、批次和量值應符合設計要求。拉索按設計要求對稱同步張拉，張拉中不同步的相對差值不得大于10%。兩側不對稱或設計索力不同的斜拉索，應按設計要求的索力分段同步張拉。以千斤頂油壓表量值控制張拉過程，以結合短索、中索、長索安裝的錨索計索力修正后的索力動測儀測定的索力為準，以拉索伸長值作校核。

三、配重方案研究

設計主梁上的轉體平衡重荷載靠近主縱梁布置，不得沿橫橋向均勻布置。10#墩在中跨側6#索至13#索43m范圍內配重31.47t/m，配重放置在兩側縱梁區域5m 范圍內。根據現有資源，選擇邊長1.2m 的混凝土立方體塊作為配重，各縱梁橫向兩排，分三層緊密布置。由于主梁采用支架法施工，且中跨配重側主梁下方有電氣化鐵路運營線，支架采用混凝土柱+鋼管柱+貝雷片形式。為保障既有線路運營安全，采用拉索+配重同步進行方式，依靠斜拉索索力消耗配重重量，實現主動脫架目的。

1.有限元模型

采用通用有限元程序，選用梁單元和桁架單元建立空間模型，考慮多種非線性因素，包括（1）完全按照設計進行建模，以保證結構質量分布、各方向剛度和邊界條件真實；（2）模型中考慮大位移效應、拉索垂度效應和初始內力效應等斜拉橋幾何非線性特征；（3）建立只受壓單元模擬主梁支架連接，建立哈西大橋有限元模型，如圖1所示。

2.配重區先拉索后配重方案

（1）方案設計

配重從6#索導管位置開始布置，按先張拉后配重原則，在無配重區即1#索-5#索區段直接張拉拉索至施工初張力，6#索至13#索43m 范圍內對應索導管配重區域，6#索直接張拉至施工初張力，7#索至12#索均為先張拉施工初張力的50%，然后上該索索導管與前一號索索導管之間的配重第一層；再張拉至施工初張力的80%，上第二層配重；最后張拉至施工初張力的100%，上完所有配重。

圖1 哈西大橋有限元模型

（2）有限元計算分析驗證

根據設定方案細化施工階段，經有限元計算模擬，10#墩配重區先張拉拉索后配重方案得到的各施工階段塔梁位移與先一次性上完配重再張拉拉索的塔梁位移結果相差最大0.004m，且落架后整體線形一致（如圖2 所示），說明此種配重拉索方案安全可行。

圖2 落架后塔梁變形形狀模擬

3.配重區先配重后拉索方案

（1）方案設計

9#墩主梁懸臂長（97+101）m，在邊跨側12#索至13#索8m 范圍內配重29.1t/m，按配重區先張拉拉索后配重方案得到先張拉12#索后梁面上抬0.081m，遠大于與先一次性上完配重再張拉拉索的主梁位移0.003m。且9#墩兩端懸臂不平衡配重小，支架下方無運營鐵路，故9#墩采取在無配重區即1#索-11#索區段直接張拉拉索至施工初張力，12#索至13#索8m 范圍內對應索導管配重區域，12#索直接張拉至施工初張力，13#索先上該索索導管與12#索索導管之間的配重，再張拉至施工初張力。

（2）有限元計算分析驗證

根據設定方案細化施工階段，經有限元計算模擬，9#墩配重區先配重后張拉拉索方案得到的各施工階段塔梁位移與先一次性上完配重再張拉拉索的塔梁位移結果相差最大0.003m，且落架后整體線形一致，說明此種配重拉索方案安全可行。

四、頻率法測量索力

振動頻率量測法是目前最常用索力測量方法。利用緊固在纜索上的高靈敏度傳感器，拾取纜索在環境振動激勵下的振動信號，經過濾波、放大、譜分析，得出纜索的自振頻率。利用索的拉力與索的振動頻率之間存在對應關系的特點，在已知索的長度、兩端約束情況、質量分布等參數時，通過測量索的振動頻率，進而計算出索的拉力。這是一種間接的測量方法，不造成纜索損傷，操作簡便，測試精度高，一般可達到3%以內。

在纜索兩端鉸支的情況下，索力為：

其中：l 為纜索的計算長度；k 為纜索自振頻率的階數；fk為纜索的第k 階自振頻率。對于較長的拉索，EI/l2 很小，（1）式即可簡化為：

對于同一根纜索，P 恒定時，fk2/k2是一恒值，則有：f1:f2:f3:……:fk = 1:2:3:……:k， 即：f2-f1=f3-f2=……=fk-fk-1=f1，反映在頻譜圖上，各階頻率是等間距的，其間距值大小即等于基頻f1。在實際測量過程中，可以充分利用這個特性，來判斷是否為纜索自振的頻譜，凡與纜索振動的頻譜特征一致的頻譜圖，才確認纜索振動的頻譜圖，否則要分析原因，重新測量。

五、結語

通過對考慮支架承載能力的極不平衡轉體斜拉橋配重拉索施工關鍵技術研究，得到的結論如下：

（1）經有限元計算模擬分析，10#墩配重區采取先張拉拉索后配重方案，9#墩配重區采取先配重后張拉拉索方案，與實際張拉拉索及落架后線形一致，說明此種配重拉索方案安全可行。

（2）基于頻率法測量索力，在判斷基頻準確，增益較小的情況下，經過錨索計索力修正，確保了拉索索力誤差不超過設計索力的3%，為大橋順利轉體提供了有力支撐。