自錨式懸索橋吊索張拉過程中索力變化規律的試驗研究

黃海云，張俊平，劉愛榮，梅力彪，李永河

(廣州大學 土木工程學院，廣州 510006)

0 概述

吊索是自錨式懸索橋中聯系加勁梁和主纜的紐帶，是將活載和加勁梁的恒載傳遞到主纜的構件。吊索恒載索力的大小，既決定了主纜在成橋狀態下的線型，也決定了加勁梁的恒載彎矩，是懸索橋成橋狀態的關鍵指標。自錨式懸索橋在吊索張拉過程中，存在各種非線性因素的影響，如主纜的幾何非線性、主梁與支架之間的相互作用力的變化以及鞍座的滑移和頂推等，使得各吊索力的計算相當復雜，以至難以準確分析，因此需要通過模型試驗來進行研究。目前國內外對自錨式懸索橋在體系轉換過程中吊索受力特性的研究并不多見，文獻[1]、[2] 通過理論分析研究了自錨式懸索橋體系轉換過程中的吊索索力的變化規律;文獻[3] 通過模型試驗研究了佛山平勝大橋體系轉換過程受力行為;文獻[4] 分析研究了韓國永宗大橋吊索張拉施工過程與吊索索力變化的關系;文獻[5] 通過理論分析研究了自錨式懸索橋體系轉換過程中的吊索索力的變化規律。其中文獻[1]、[2] 、[5] 就吊索的索力變化規律研究得到的個別觀點而言，顯得不夠全面和嚴謹。本文基于廣州獵德大橋全橋縮比模型試驗，采用不同的張拉程序對獨塔兩跨、空間纜索自錨式懸索橋的吊索受力特性進行了研究[6]。

1 模型試驗概況

廣州獵德大橋全橋試驗模型按幾何縮尺比1/10進行設計，并遵循面積、剛度、應力等相似的原則。模型橋梁的外觀尺寸為長48 m×寬3.4 m×高9.8 m，28對吊索分別采用φ12 mm或φ7 mm兩種鋼絲繩模擬，另采用φ18 mm的圓鋼作為接長桿。每根吊索均設置索力測點，索力測試采用設置在接長桿螺栓上的穿心式力傳感器進行測量，并通過擰緊接長桿螺栓進行張拉吊索。模型總體布置如圖1所示。

模型橋梁的加勁梁及一期恒載的配重預先支承在臨時支架(包括5對臨時墩及6對支架)上，隨著吊索的逐步張拉，加勁梁經歷了未脫架(脫架指脫離臨時支架，下同)、部分脫架、全部脫架三種不同支承狀態，最終實現體系轉換。試驗中分別采用了兩種不同的吊索張拉方式，第一種是以主、副跨吊索交錯張拉為主，共計29個工況(表1);第二種以主、副跨吊索對稱張拉為主，共計17個工況(表2)。

2 試驗測試結果分析

2.1 吊索索力隨張拉工況的變化規律

1)圖2、3分別展示了在兩種張拉程序下各吊索在不同工況下的索力分布曲線。在不同的張拉程序下，索力隨工況的順延經歷了先快后慢、逐步趨于穩定的過程:當加勁梁未脫架時，吊索索力隨工況變化增長幅度較大;當加勁梁部分脫架后，吊索索力隨工況變化增長幅度逐漸減小;當加勁梁完全脫架，即實現體系轉換后，吊索索力變化很小。

2)圖4、5分別展示了若干吊索在兩種張拉程序下索力隨工況變化的過程曲線。表明大多數吊索都經歷了因張拉而獲得索力、受相鄰吊索張拉的影響而索力驟減、受其他吊索張拉的影響而索力逐步增長的三個變化過程，待加勁梁基本或完全脫架后，各吊索的索力變化趨于平穩，這與文獻[1]、[2] 的研究結果基本一致。

圖1 模型總體布置(單位:m)

表1 吊索張拉程序1

表2 吊索張拉程序2

3)表3列出了按張拉程序2完成吊索張拉過程時，實測初張力、相鄰性影響后索力及最終索力的比值。由表3可知:先張拉的鄰近索塔的10#、11#、14#～18#吊索的最終索力遠大于初張力，最終索力與初張力比值的均值約為2.2，說明了該吊索的最終索力主要源于相鄰吊索以外的吊索張拉時，在該吊索上產生的累計增長效應;此外，7#～22#吊索在相鄰性影響后的索力增量約占其最終索力的10% ～90%，由此可見，吊索的張拉除了對相鄰吊索的影響較大以外，對其它吊索索力的影響作用也不容忽視。上述數據表明了文獻[1]由幾何關系證明的吊索力的相鄰影響原理(下稱吊索力的弱相干性)，得出“張拉點對相鄰吊索的影響較大，而對相鄰吊桿以外的吊索力的影響很小”的結論，表述得不夠嚴謹和全面，這將導致大多數吊索的最終索力減少約50%。

圖2 張拉程序1試驗工況下吊索索力分布曲線

圖3 張拉程序2試驗工況下吊索索力分布曲線

圖4 張拉程序1中7、12、13、18號吊索索力變化曲線

圖5 張拉程序2中13、16、19、23號吊索索力變化曲線

表3 張拉程序2下實測初張力、相鄰性影響后索力、最終索力的比較 kN

2.2 吊索索力增量的規律

為了研究在各張拉工況下索力增量的分布規律，引入索力增量比的概念，索力增量比為在當前工況下，吊索索力的增量與被張拉吊索的張拉力比值。索力增量比為正值表示索力增加，負值表示索力減少。在不同的張拉程序下，若干代表性工況下各吊索的索力增量及增量比分布曲線如圖6～圖10所示。

1)由圖6～圖10、表4可知，張拉某根吊索對其它已張拉吊索的影響，與自錨式懸索橋體系轉換的狀態有關:在加勁梁未脫架時，相鄰吊索索力減少量約為當前初張力的0.42～0.55倍，鄰近的第3～8根吊索索力增量比約為0.05～0.09，若是采用交錯張拉法，則在非張拉橋跨距索塔最遠端的吊索索力增量比約為0.10;當加勁梁完全脫架后，相鄰吊索索力減少量約為當前初張力的0.65～0.68倍，其它吊索索力增量比均少于0.03。以上數據分析表明文獻[1]的吊索力相鄰影響原理，只有在自錨式懸索橋體系轉換完成后才能成立。

圖6 張拉程序1試驗工況下索力增量曲線

圖7 張拉程序2試驗工況下索力增量曲線

圖8 張拉程序1張拉橋跨吊索索力增量比的影響線

圖9 張拉程序1非張拉橋跨吊索索力增量比的影響線

圖10 張拉程序2張拉橋跨吊索索力增量比的影響線

圖11 張拉程序2中最鄰近吊索索力減少量(增量比)與當前吊索張拉力的關系曲線

表4 不同張拉程序及張拉工況下吊索索力的平均增量比

2)由圖11可知，相鄰吊索索力損失量(增量比)與當前吊索張拉力之間存在著顯著的非線性關系，在吊索張拉的初期，加勁梁未開始脫架前，其比值隨張拉力的增加而減少;在加勁梁脫架期間，其比值隨張拉力的增加而增加;待加勁梁脫架、結構體系轉換完成后，其比值相對趨于穩定，隨張拉力變化的影響不大。

3 結論

通過上述對獵德大橋模型試驗中吊索索力相關的試驗實測數據的分析，可以得出如下結論。

1)在吊索張拉過程中，吊索索力是一個動態的變化過程，索力變化的幅度量值與體系轉換狀態有關。體系轉換前，加勁梁支承在剛性支座或多點彈性支撐上，吊索張拉對相鄰吊索索力有較大的削減作用，同時也使其它吊索索力逐步增大。體系轉換后，吊索張拉對相鄰吊索索力削減效應更為明顯，而對其它吊索索力的影響很小，吊索索力基本趨于穩定。

2)吊索索力的弱相干性特征，即張拉吊索僅對相鄰吊索有影響，只適用于自錨式懸索橋體系轉換完成后的結構狀態。

[1] 張哲.混凝土自錨式懸索橋［M］.北京:人民交通出版社，2005.

[2] 胡建華.現代自錨式懸索橋理論與應用［M］.北京:人民交通出版社，2008.

[3] 胡建華，沈銳利.佛山平勝大橋全橋模型試驗研究［J］.土木工程學報，2007，40(5):17-25.

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