懸索橋主纜空纜狀態扭轉控制技術

主纜的扭轉剛度極小，在空纜狀態下，由于沒有其他約束，內部應力稍微不均勻，主纜便會自由扭轉。在傳統扭轉控制技術的基礎上，提出沿橋跨八分點增設吊重荷載來控制主纜扭轉。以國內某千米級懸索橋為背景建立有限元模型進行計算分析，計算表明利用此方法來防止主纜在空纜狀態下發生扭轉是行之有效的。但隨著扭轉角的逐漸減小，增加吊重荷載對扭轉角的減小作用逐漸變小，因此實際采用的吊重荷載需根據實際控制需求作合理取值。

主纜； 空纜狀態； 扭轉剛度； 吊重荷載； 有限元計算

U448.25 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡介］李則均（1996—），男，碩士，研究方向為橋梁與隧道工程。

主纜的扭轉剛度極小，在空纜狀態下，由于沒有其他約束，內部應力稍微不均勻，主纜便會自由扭轉。溫度、日照以及先期索股內應力釋放等，都是引起內部應力不均勻的因素。對于采用騎跨式吊索的主纜，主纜扭轉會帶動索夾扭轉，如果在吊梁前不進行糾正，即使騎跨式吊索標記點對位索夾標記點進行安裝，梁上由于吊索兩支不齊，稍微受力后會引起吊索滑移，導致吊索標記點不再與索夾標記點對齊，當梁段吊裝上去之后，強大的吊索摩擦將約束主纜扭轉，由于主纜扭轉剛度較小，以后主纜將不再自由扭轉。這種扭轉姿態就會永久保持下去，從而影響索夾受力。本文將研究控制方案，在吊梁前把主纜扭轉消除。

1 主纜扭轉產生原因及控制手段

主纜索股在架設牽引過程中由于貓道的振動等問題會造成索股的扭轉，為避免此扭轉的發生，牽引過程中應盡量使放索滾輪托架保持水平，減少貓道振動，保證滾輪寬度為索股名義直徑的3倍，側面與水平面夾角控制為120°。錨頭放出后，每300 m在承重索上懸掛一只帶手柄的六邊形索夾，由2個人扶持錨頭托架手柄前行，行進速度不超過30 ～40 m/min［1］。主纜索股入鞍時也易發生扭轉，且索股的扭轉主要呈局部“S”形扭轉。當發生此種扭轉時，為方便人工操作，先用軟質的布帶裹緊扭轉處，再安裝操作扣，并連接手柄。首先確定扭轉問題是出現在錨頭還是索股中部，如果是錨頭附近，需要安排2組以上的工作人員，分別前后間隔2 m左右站在索股兩邊，如果是索股中部，則需要安排3組以上的技術人員，按照從中間向兩側對稱反扭的方法進行扭轉［2］。

以往對于主纜索股扭轉的研究主要關注于索股牽引及成纜過程。對于索股架設完成后空纜時期由于主纜索股內部內力不均引起的扭轉的控制研究甚少。對于采用騎跨式吊索的主纜，主纜扭轉會帶動索夾扭轉，如果在吊梁前不進行糾正，即使騎跨式吊索標記點對位索夾標記點進行安裝，梁上由于吊索兩支不齊，稍微受力后會引起吊索滑移，導致吊索標記點不再與索夾標記點對齊，當梁段吊裝上去之后，強大的吊索摩擦力將約束主纜扭轉，由于主纜扭轉剛度較小，以后主纜將不再自由扭轉。這種扭轉姿態就會永久保持下去，從而影響索夾受力。本文提出一種新型控制方案，在吊梁前把主纜扭轉消除。

2 主纜集束體的扭轉剛度［3］

主纜是由多根鋼絲集束而成，全部索股架設完成后，經歷了對股絲鋼絲進行梳理、緊纜、安裝索夾及體系轉換、主纜纏絲這一過程而形成成橋時的主纜。在體系轉換過程中，隨著主纜內力增加，橫截面鋼絲不斷地重新排列，形成更為穩定的截面形式，同時主纜集束體的扭轉剛度也在不斷變化。被索夾包圍的主纜節段因索夾強大的緊箍力作用使得該部分集束體鋼絲間緊密接觸而不能發生相互錯動，此處的主纜集束體可當作一個實體截面來考慮。如果主纜集束體鋼絲沒有張力，則相鄰兩索夾之間的主纜集束體的扭轉剛度應介于主纜鋼絲間完全不黏接與完全黏接之間，主纜集束體扭轉剛度J的取值在極限范圍之內，見式（1）。

Jmin=nπd432，Jmax=πD432（1）

式中：n為集束體鋼絲的總數；d為鋼絲的直徑；D為等面積實截面主纜的直徑。

3 主纜空纜狀態扭轉控制新技術

針對主纜由于溫度、日照以及先期索股內應力釋放等引起內部應力不均勻從而導致主纜發生扭轉的問題。本文結合前人的研究，提出通過在主纜八分點處索夾位置添加臨時吊重來抑制主纜在梁段吊裝之前發生扭轉。

由于主纜中心到索夾耳板稍孔有一定的距離，主纜由于各種因素產生扭轉后，索夾耳板會隨著主纜扭轉而發生傾斜，在索夾上加上吊重荷載后，此豎向荷載會產生一定的恢復力矩，消除主纜的扭轉。

3.1 有限元模型建立

由于主纜單元抗扭以及抗彎剛度很小，因此在有限元模擬過程中通常用桿單元來模擬主纜，主纜只受軸力作用。但桿單元不具備空間轉動自由度，無法獲取主纜由于扭矩作用產生的扭轉角，因此本文采用梁單元對主纜進行模擬。利用有限元分析軟件Ansys建立了大橋主跨空纜狀態模型，如圖1所示。主纜采用Beam44模擬。

3.2 主纜剛度取值

研究所采用懸索橋主纜由520股91絲直徑5.9 mm鋼絲組成，因此，主纜扭轉剛度范圍為5.6×10-6～2.66×10-1m4。最大剛度與最小剛度的比值為47 600。可看出此范圍過廣，本研究將分析主纜取不同扭轉剛度大小時扭轉荷載以及吊重荷載對其扭轉角的影響。表1為采用的剛度取值。

3.3 計算結果

對各種剛度取值的主纜模型施加不同大小的扭矩荷載使其發生扭轉，研究使不同扭轉角度恢復所需要的吊重荷載。計算結果如表2所示，其中將主纜扭轉角小于0.45°作為主纜扭轉消除標志，此時主纜斷面最低點的水平位移小于5 mm。圖2為4種剛度取值對應的吊重荷載取值隨扭轉角的變化趨勢圖。

從圖2中可以看出發生相同的扭轉角，扭矩荷載與扭轉剛度成正比例變化。所以傳統的在主纜上增設魚雷夾（增大主纜的扭轉剛度同時減小主纜的自由扭轉長度）來防止主纜扭轉是行之有效的方法。在傳統防扭轉方案外，本研究提出的沿跨徑八分點增設吊重可以給主纜提供抗扭轉力矩。如表2所示，恢復主纜扭轉所需的吊重荷載隨著扭轉角近似呈正比例關系變化。且隨著主纜扭轉剛度取值的增大，恢復相同的扭轉角所需的吊重荷載隨著剛度呈正比例變化。因此實際設置前，可以通過試驗得到主纜較為準確的扭轉剛度，并對實橋橋位處的溫度場風場對主纜可能發生的最大扭轉角進行研究，得到最大可能發生的扭轉角度，從而通過內插求得所需的吊重荷載。實橋建設過程中，在已吊重的情況下若遇到極端環境或不可抗力因素使得主纜扭轉再次發生，可以通過增大現有吊重的方法將扭轉消除。

理論上在單純的吊重荷載作用下不能完全恢復主纜的扭轉，但可以將扭轉控制在一定程度之內。因此研究固定的扭轉角度情況下，施加不同的吊重荷載，得到吊重后主纜的扭轉角度，研究吊重荷載的合理取值。

取主纜3號剛度方案，即主纜的扭轉剛度取實截面主纜扭轉剛度的1/100。施加扭矩使主纜跨中產生20°的扭轉角，分別在跨徑八分點施加0～4 800 kN的吊重荷載，研究主纜扭轉角的變化，結果如表3所示，變化趨勢圖如圖3所示。

從上述結果可以看出，隨著扭轉角的逐漸減小，增加吊重對扭轉角的減小作用逐漸減小，在當前研究所取的抗扭剛度取值下，主纜產生了20°的扭轉角。當吊重荷載取300 kN左右時可將主纜斷面下表面點水平位移控制在3.1 cm，當吊重荷載取1 000 kN左右時可將主纜斷面下表面點水平位移控制在1 cm左右，當吊重荷載取2 100 kN時可將主纜斷面下表面點水平位移控制在5 mm之內，由此可以看出吊重取300 kN之后繼續增大吊重荷載，對于主纜扭轉角的減小收效甚微，因此吊重荷載的取值需根據實際控制需求進行合理取值。

4 結束語

（1）針對由于溫度、日照以及先期索股內應力釋放等引起內部應力不均勻從而導致主纜發生扭轉的問題。本文提出通過在主纜八分點處索夾位置添加臨時吊重來抑制主纜在梁段吊裝之前發生扭轉，有限元計算分析表明，該方法對主纜扭轉的抑制效果較好。

（2）恢復主纜扭轉所需的吊重荷載隨著扭轉角近似呈正比例關系變化。且隨著主纜扭轉剛度取值的增大，恢復相同的扭轉角所需的吊重荷載隨著扭轉剛度也呈正比例變化。

（3）隨著扭轉角的逐漸減小，增加吊重對扭轉角的減小作用逐漸減小，當主纜扭轉角減小到一定程度之后繼續增大吊重荷載，對于主纜扭轉角的進一步減小收效甚微，因此吊重荷載的取值需根據實際控制需求進行合理取值。

參考文獻

［1］ 張成瑞.懸索橋主纜PPWS法架設中質量通病及解決措施［J］.北方交通，2018（2）：13-16.

［2］ 付瓊.懸索橋主纜架設施工中存在的問題與優化方案［J］.工程建設與設計，2020（9）：297-299.

［3］ 齊東春，沈銳利，劉章軍，等.考慮拉扭耦合效應的空間主纜扭轉計算方法［J］.長安大學學報（自然科學版），2015，35（6）：91-97.