自錨式懸索橋體系轉換吊索張拉設計

劉少華

（北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京 100161）

引言

自錨式懸索橋主纜錨固于加勁梁兩端，吊索與主纜受拉，加勁梁受壓彎曲，構成自平衡索支承體系。其受力模式與斜拉橋相近[1-2]。兩種橋型都是高次超靜定結構，加勁梁受力對吊索力變化非常敏感，加勁梁和主纜所承擔的恒荷載比例可以通過吊索張力大小的改變來調整，從而達到合理的成橋狀態[3]。因此，自錨式懸索橋體系轉換吊索張拉方案的設計是實現理想成橋狀態的重要一環。

1 自錨式懸索橋體系轉換

1.1 體系轉換方法

自錨式懸索橋是一種自平衡體系，其主纜直接錨固于加勁梁兩端，由加勁梁來承擔主纜的水平分力。這造成了自錨式懸索橋一般必須先施工主梁，然后施工主纜，即先施工加勁主梁，后架設主纜的施工順序；待主纜架設完畢，分批張拉吊索完成體系轉換。

目前，先梁后纜的施工法，其體系轉換又可以分成吊索張拉法和一次落梁法。吊索張拉法是以支架或臨時墩上主梁為初始狀態，通過分批吊索的張拉，實現體系轉換；而落梁法是主梁線形有所抬升或頂升為初始狀態，通過逐步卸架、松頂的方式，實現體系轉換。

1.2 體系轉換方案原則

自錨式懸索橋合理成橋狀態確定完成后，施工過程的體系轉換都以此為目標。吊索張拉完成時體系轉換后懸索橋的各構件的受力滿足規范要求，線形符合設計預期。另外，體系轉換過程中還需滿足吊索與套筒、主纜與主梁錨固套筒不相碰幾何相容原則，體系轉換過程中橋梁各構件受力安全原則及體系轉換施工經濟原則。

2 工程實例

2.1 項目概況

京承聯絡線潮白河大橋為一獨塔自錨式懸索橋，跨徑組合為35 m +135 m +165 m +35 m，其中兩側各設有35 m 預應力現澆箱梁配跨，索區主梁為扁平鋼箱梁。主纜采用對稱布置，橫橋向主纜間距29.5 m，在成橋狀態下，主跨跨度為159.8 m，理論矢高12.583 m，矢跨比為1∶12.7；邊跨跨度為129.8 m，跨中垂度為8.343 9 m，垂跨比為1∶15.556。

吊索采用垂直布置見圖1，間距9.0 m，兩側錨固處各設一對D130 mm 剛性吊桿；其余吊索采用85絲φ7 mm 的預制平行鋼絲束，共25 對。全橋吊索自左向右分別為S1 號吊索至S27 號吊索，其中左邊邊跨為S1 ～S12，右邊主跨為S13 ～S27[1]。

圖1 橋型布置/cm

2.2 有限元分析

采用橋梁空間非線性分析系統BNLAS 計算。BNLAS 由兩個子系統構成：主纜線形分析系統和結構空間計算分析系統。結構空間計算分析子系統基于非線性有限元理論，計入纜索單元的強變形、易轉動空間因素，運用數值法求解單元的內力及位移[1,4]。體系轉換吊索張拉采用此程序模擬計算。

將懸索橋主纜線形計算系統循環迭代所得理想成橋狀態的主纜線形代入結構空間計算分析系統。基于有限位移理論，設定主梁的吊索端錨固點和支座支撐點的豎向位移逼近于零；水平位移在吊索上錨端逼近于零；計入主梁預長、橋塔預高等彈性伸縮補償，保證主纜矢高不變，主纜各控制點位移趨近于零的目標函數，進行空間計算分析[1]。

計算按實際施工順序：（1）橋塔柱施工；（2）在支架上澆筑混凝土梁段和鋼混結合梁段；（3）在支架上拼裝鋼箱梁進行頂推；（4）鋼箱梁合攏；（5）主纜的架設與安裝；（6）分批次張拉吊索，達到一期恒載受力狀態；（7）橋面鋪裝，成橋狀態分析[1]。

2.3 吊索張拉方案的設計及計算

潮白河大橋采用先施工主梁，后架設主纜的施工順序。體系轉換的吊索張拉設計，遵循體系轉換的幾何相容、結構受力安全及經濟的原則。在吊索張拉的各個階段，無應力長度控制是吊索張拉的主要控制方法，某些吊索同時采用張拉力進行配合。

本橋為獨塔非對稱結構，根據結構特點、力學特性以及鋼加勁梁假設方案等，吊索張拉順序：（1）自橋塔向兩錨跨張拉；（2）自左邊跨最短吊索開始，自左向右張拉；（3）自右邊跨最短吊索開始，自右向左張拉。經過反復計算分析，按從橋塔向兩錨跨的順序張拉最易控制且結構受力最好。以下對按這種順序張拉吊索時的兩個設計施工方案進行分析。吊索在張拉控制過程中遵循：張拉力不能太大，也不能超過吊帶的允許張力。若按無應力長度一步到位進行張拉錨固時吊索張拉力太大，需先通過張拉力控制將相鄰的吊索拉到一定的力。吊索張拉的次數及張拉力的大小，應按每個吊索張緊力不超過允許值的原則計算和確定。

2.3.1 自橋塔向兩錨跨1 對吊索順序張拉（方案一）

此張拉方案每一步驟張拉錨固1 對吊索，以合理成橋狀態計算得到的吊索無應力長控制。張拉步驟：主跨自橋塔開始依次按無應力長度將S13 ～S15號吊索張拉到位，每一步張拉1 對吊索，共需3 步；然后頂推主索鞍。第4 步將邊跨S12 號吊索張拉到位；第5 步張拉主跨S16 號吊索到位；第6 步張拉邊跨S11 號吊索到位；按此方法邊跨、主跨依次交替張拉，第13 步按無應力長度將主跨S20 號吊索張拉到位，第14 步將S6 號吊索張拉至1 200 kN，S7 號吊索張拉到位；按此規律張拉剩余吊索。

在整個吊索的張拉過程中，吊索的安全系數較大，見圖2、圖3。隨著吊索按順序張拉，各吊索受力逐漸增大，部分臨時采用張拉力控制張拉的吊索也隨著第二輪吊索的張拉完成達到設計索力。在吊索的張拉過程中，鋼主梁由大間距臨時支架支撐的連續梁受力狀態轉換為小間距吊索支撐的壓彎受力模式，主梁上緣最大壓應力78.77 MPa，下緣最大壓應力63.21 MPa。方案一按兩輪張拉，靠近主塔吊索一次張拉到位，遠離主塔吊索需2 次張拉到位；共分27 個張拉步驟，全部吊索張拉完成。共需4 臺千斤頂，需要20 根0.5 m 吊索接長桿?？紤]到接長桿可以重復使用，共需4 根0.5 m 接長桿。

2.3.2 自橋塔向兩錨跨2 對吊索對稱張拉（方案二）

由于邊跨與主跨非對稱，在主跨依次按無應力長度張拉完S13 ～S15 號吊索、頂推主索鞍后，余下每一步驟張拉錨固2 對吊索，以合理成橋狀態計算得到的吊索無應力長度控制。第4 步至第8 步分別 對 稱 將S12 與S16、S11 與S17、S10 與S18、S9與S19、S8 與S20 號吊索張拉到位；第9 步先對稱張拉S6、S22 號吊索至1 200 kN，再對稱張拉S7、S21 號吊索到位；按此規律張拉剩余吊索，直至第14 步先對稱張拉S1、S27 號吊索至1 600 kN，再對稱張拉S2、S26 號吊索到位；最后第15 步對稱張拉S1、S27 號吊索到位。

圖2 主跨S13 ～S27 號吊索各張拉階段索力

圖3 邊跨S1 ～S12 號吊索各張拉階段索力

如圖4、圖5 所示，在整個吊索的張拉過程中，吊索的安全系數足夠大，隨著兩輪吊索的全部張拉完成，吊索力達到設計索力；剛主梁上下緣應力逐漸增大，具備足夠的應力安全儲備。方案二按兩輪張拉，靠近主塔吊索一次張拉到位，遠離主塔吊索需2 次方能張拉到位；共分15 個張拉步驟，全部吊索張拉完成。共需8 臺千斤頂，需要24 根0.5 m 吊索接長桿，考慮接長桿可以重復使用，共需8 根0.5 m接長桿。

圖4 主跨S13 ～S27 號吊索各張拉階段索力

圖5 邊跨S1 ～S12 號吊索各張拉階段索力

由兩種吊索張拉方案計算比較分析可知，京承聯絡線潮白河獨塔自錨式懸索橋兩種體系轉換吊索張方案，均為兩輪張拉。整個吊索張拉過程中吊索安全儲備大，各吊索逐漸受力達到設計索力。隨著吊索的張拉，鋼主梁由大間距臨時支架支撐的連續梁受力狀態轉換為小間距吊索支撐的壓彎受力模式，主梁應力儲備安全。從施工方面來說，方案一分27 個張拉步數，全部吊索張拉完畢，共需4 臺千斤頂和4 根0.5 m 臨時接長桿；方案二分15 個張拉步數，全部吊索張拉完成，共需8 臺千斤頂和8 根0.5 m 臨時接長桿。方案二由于采用對稱張拉，施工協調控制較方案一復雜，綜合來說，兩種方案均滿足要求，且控制值均比較合理。

3 結語

（1）對于非對稱獨塔自錨式懸索橋，綜合考慮結構受力及空纜和成橋狀態時跨中標高相差較大避免使用接長桿的因素，宜采取先張拉橋塔處吊索，從橋塔處向兩側張拉吊索比較容易控制。（2）同步張拉多根吊索，張拉步數比較少，施工工期較短，但需要的張拉千斤頂、接長桿數量較多，且張拉協調控制較復雜。（3）驗證了采用無應力長度控制法進行吊索的安裝張拉，張拉操作簡便、準確、可控性強，可以比較準確和經濟的實現自錨式懸索橋的體系轉換。