超長斜拉索軟硬組合牽引系統安裝受力機理

饒華容，游新鵬

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014）

1 引言

隨著社會經濟的發展，一批跨大江、跨海灣特大跨斜拉橋逐步開工建設，且跨度越來越大，作為斜拉橋主要受力構件的斜拉索也隨之加長、加重，軟、硬組合牽引工藝在斜拉索安裝中得到了廣泛的應用。本文以蘇通大橋為例對軟、硬組合牽引系統受力機理進行分析，論述軟、硬組合牽引系統施工關鍵技術。蘇通大橋主橋是雙向6車道的雙索面鋼箱梁斜拉橋，主跨為1 088 m，是目前世界上已建成的最大跨度斜拉橋。其索塔高達300.4 m，最長斜拉索達577 m，重達59 t。

2 概述

蘇通大橋超長索的施工采用梁端軟硬組合牽引、梁端張拉的方法，其主要施工程序為：橋面吊索桁車整體提升索盤上橋面→橋面卷揚機牽引斜拉索橋面展開→斜拉索塔端掛設→橋面卷揚機、連續千斤頂及張拉千斤頂分別依靠鋼絲繩、鋼絞線和張拉桿牽引梁端錨頭入索套管錨固→梁端進行張拉及塔端調索。

斜拉索梁端牽引的角度調整系統通過安置在橋面吊機上的組合牽引系統輔助完成，減輕了懸臂端臨時荷載的重量，同時也減小了作業空間。牽引系統如圖1所示。

斜拉索牽引主要分成5個步驟：

第一步：在梁端錨頭處安裝夾具、吊具，卷揚機牽引梁端錨頭前行，汽車吊提升梁端錨頭上導向滾輪及導向架。

第二步：卷揚機牽引梁端錨頭至橋面吊機處后，安裝組合張拉桿及軟牽引裝置，安裝提升夾具，連接角度調整手拉葫蘆及50 t汽車吊，調整角度。

圖1 梁端牽引系統示意圖

第三步：橋面卷揚機滑車組牽引斜拉索前行，當張拉桿中心線同索套管重合后改換連續千斤頂牽引斜拉索。

第四步：連續千斤頂牽引張拉桿出900 t穿心千斤頂后，移走50 t汽車吊，拆除卷揚機牽引裝置，30 t手拉葫蘆2在夾具2處提升斜拉索調整角度，拆除連續千斤頂安裝張拉螺母。

第五步：30 t手拉葫蘆1、2、3調整角度，900 t穿心千斤頂牽引斜拉索直至所有加長張拉桿出千斤頂面，拆除所有加長張拉桿，至此斜拉索梁端掛設完成。

3 牽引過程仿真分析

3.1 斜拉索脫離橋面前分析

斜拉索在展開及塔端掛設完成后，斜拉索所在的狀態為塔端錨固，梁端錨頭由卷揚機牽引向梁端錨固點移動。隨著錨頭的移動，本來由小車支承的斜拉索逐漸脫開，直到所有的斜拉索完全脫離橋面[1]。

圖2為牽引過程示意圖，（a）為拉索脫離地面前的狀態；（c）為拉索脫離地面后的狀態；（b）則是狀態（a）和（c）的臨界狀態，拉索剛好脫離地面，并且索右端點的斜率恰好為0。

圖2 牽引過程示意圖

下面以蘇通大橋J34號索為例分別對這3種狀態進行解析。

由于懸空段拉索與水平地面接觸時，接觸點位置x0不斷變化，但x0處斜率始終為0，為方便求解，設懸空段拉索的線形方程[2]為：

由塔端錨固位置的邊界條件可得：在x0處的邊界條件已自然滿足。

懸空段拉索的無應力長度[3]為：

忽略地面摩擦力，則地面段拉索的無應力長度為：

根據拉索的無應力長度不變，可得：

式中：S0為拉索設計無應力總長；h為拉索豎直投影長度；L為拉索水平投影長度；H為拉索牽引力水平分力；q為拉索線密度；E為拉索彈性模量；A為拉索鋼絲截面積。

下面確定臨界狀態的線形參數及對應的牽引位置。

令x0=L=L0，則解得L0=518.516 m，K=641.277 m，H=646.407 kN。

因此，索剛好脫離地面時，索牽引到距塔端518.516 m的位置。

3.2 斜拉索脫離橋面之后分析

對斜拉索脫離橋面之后，安裝組合張拉桿以及軟牽引用鋼絲繩，采用吊車以及組合牽引系統的手拉葫蘆輔助，逐步調整角度，進入索道管，到達錨固位置，安裝張拉千斤頂。采用3-D有限元軟件MIDAS對過程進行仿真分析。

3.2.1 計算模型及工況分析

模型中斜拉索采用索單元進行模擬，張拉桿采用梁單元進行模擬，斜拉索和張拉桿的材料和截面特性如表1。

表1 計算模型中采用材料截面特性表

根據斜拉索牽引實際狀態，將牽引全過程劃分為如表2工況。

3.2.2 結果

各階段斜拉索索力牽引力及手拉葫蘆吊點反力結果見表3。可以看出，在調整角度階段采用手拉葫蘆將張拉桿和斜拉索連接處吊起，斜拉索索力有所減小。斜拉索索力減小的時候，牽引力還是略有增加。牽引到位時需要牽引力為928 kN，最大的吊點反力為牽引到位時的268 kN。

表2 分析工況表

表3 斜拉索索力牽引力及手拉葫蘆吊點反力kN

4個階段張拉桿應力圖如圖3所示。

圖3 張拉桿應力圖

可以看出，角度調整對張拉桿受力的影響很小，此時張拉桿內的應力水平很低。

4 角度調整影響分析

張拉桿進入索道管時，角度調整同時進行，在角度調整以及牽引進入索道管的過程中，手拉葫蘆所需要的起吊力不斷發生變化，對4個工況進行了模擬（見表4）。

通過計算分析，可以得到4個工況對應的吊點反力，即手拉葫蘆處的吊點反力變化如圖4所示。

可以看出，手拉葫蘆處吊點反力在牽引到位時最大，中間的調整階段吊點反力隨著張拉桿進入索道管逐漸變大，吊點反力最大達到268 kN。

表4 角度調整影響分析工況

圖4 張拉桿角度調整吊點反力示意圖

角度調整對斜拉索索力及牽引力的影響見表5。

斜拉索索力與張拉桿牽引距離有關系，在張拉桿到達指定千斤頂安裝位置時，斜拉索平均索力為982 kN。牽引力也隨著牽引的進行逐漸增大，最大牽引力為928 kN。

各階段張拉桿應力如圖5所示，可以看出張拉桿在牽引過程中應力水平始終在較低的水平。

表5 各工況斜拉索索力以及牽引力結果

圖5 張拉桿應力圖

5 結論

蘇通長江公路大橋于2007年6月10日順利合龍，仿真分析理論計算數據與現場實測情況基本吻合，通過仿真分析以及現場實測情況證實：

（1）軟、硬組合牽引工藝滿足超長索安裝需要，該系統用于超長索牽引可行。

（2）本例中斜拉索安裝硬牽引系統（張拉桿）在整個牽引過程中應力水平較低，可確保硬牽引施工安全；軟牽引過程中，牽引力與吊點反力逐步增大，牽引到位時，牽引力為928 kN，吊點反力為268 kN，現有軟牽引及角度調整設備完全能夠滿足施工需求。

（3）角度調整與牽引同時進行，角度調整對硬牽引（張拉桿）受力影響較小。

[1]陳明憲.斜拉橋建造技術[M].人民交通出版社，2004.

[2]（美）斯科臺克（Schodek，D.L.）.建筑結構分析方法及其設計應用[M].羅福午，楊軍，曹俊，譯.北京：清華大學出版社，2005.

[3]路志浩，陳以一.一般情況下小垂度索的剛度方程及其應用[J].力學季刊，2000，21（2）.