自錨式懸索橋纜索體系施工幾個問題的探討

郭漢香

（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海 200070）

0 前言

自錨式懸索橋不需要像普通懸索橋那樣設置地錨,而是直接將主纜錨固在加勁梁的兩端,懸索受拉，加勁梁受壓，形成內部自身平衡體系，結構工作效率高，與斜張橋有異曲同工之理。該橋型為不方便建造錨碇的地方修建懸索橋提供了一種解決方法，也使這種美觀的橋型成為中小跨徑內非常具有競爭力的橋型,近年來正得到大量應用。

自錨式懸索橋與一般懸索橋的主纜一樣均為柔性索結構,具有主纜幾何非線性對結構影響相同的屬性。但是，自錨式懸索橋特殊的自身受力平衡結構體系，它不能借助外力來平衡自身內部的力,故平衡對稱原理作為自錨式懸索橋的基本原理是設計和施工的基礎。因此，自錨式懸索橋纜索體系施工技術有別與一般懸索橋，對懸索施工控制中關鍵的計算架設參數、修正控制參數，以及確定頂推階段和頂推量提出了更高的精度要求。本文以寧波市慶豐橋-三跨連續自錨式懸索橋，全橋長487.7 m，跨徑組合為108.85m＋280 m＋108.85m為工程背景，對纜索體系施工中架設參數計算的平衡條件選取、貓道荷載和溫度效應對主纜的影響、預偏量及索鞍頂推的實質等問題作一些探討。

1 平衡條件的選取

架設參數的計算主要采用懸索力學的解析法和幾何非線性有限元法兩種方法。在這兩種計算方法中,都涉及到成橋狀態或基準索股架設狀態的平衡條件的選取。其中成橋狀態的平衡條件是設計所要求的,如在計算中不體現這一條件,則算出的結果將不滿足設計要求,而基準索股架設狀態的受力平衡條件事關架設精度控制的難易。

成橋狀態平衡條件:一是對于主索鞍,要求鞍座位于索塔中心,以達到設計跨徑,要求中、邊跨索力水平分力相等(索力并不相等,依靠鞍槽內的摩擦力防止滑移),以確保索塔豎直,塔根彎矩最小,防止徐變現象加大塔頂的偏位,影響橋面線形；二是對于散索鞍,由于它鉸支在錨梁上,且錨跨索股分散布置,要求散索鞍軸線位于邊跨主纜和錨跨主纜的角平分線上,錨跨索股軸線上的分力之和與邊跨主纜索力相等,避免滾座受剪。解析法計算時,利用了這些平衡條件建立方程,因而計算出的成橋狀態自然滿足這些平衡條件;有限元法計算時,平衡條件是包括纜索、索塔及加勁梁等構件的整體平衡,要體現中、邊跨索力水平分力相等這一條件,應規定塔頂對鞍座沒有約束這一條件。

基準索股架設時的平衡條件有兩種,它們是計算預偏量的依據,不同的平衡條件,計算出的預偏量將會不同。第一種條件是要求索股在鞍槽內不滑動,即要求主纜在主索鞍兩端索力相等,每束索股在散索鞍兩端索力相等;第二種條件是要求索鞍不滑動或轉動,即要求主索鞍兩端主纜索力的水平分力相等,散索鞍兩端索股索力的軸向分力之和相等。第一種條件調索容易,但隨著主纜的架設,塔頂上的不平衡水平力逐漸增大,塔頂逐漸產生偏位;散索鞍雖在主纜架設過程中被臨時固定的,但釋放后將會發生轉動。總而言之,如采用第一種平衡條件,將使架設跨徑變化較大,降低了施工精度。第二種條件可確?？鐝阶兓苄?(這種變化是由貓道荷載和溫度的隨機變化而引起,且不可避免),雖然索鞍兩端主纜索力不相等,但索股入槽后,可通過強大的摩擦力來限制滑動,因而可采用第二種條件。

2 貓道荷載的影響

在主纜架設過程中,貓道以三跨分離式錨固在塔頂及錨碇上,其自重荷載以及作用其上的施工荷載,均通過承重索作用在索塔和錨梁上。為減小貓道荷載對主纜架設的影響,貓道設計時要求貓道形成后中、邊跨承重索的索力水平分力相等,但由于施工誤差和臨時荷載的變化,中、邊跨承重索的索力水平分力常常不相等,致使塔頂產生偏位,從而影響主纜的架設線形。因此,計算貓道荷載對主纜架設的影響的關鍵是計算出貓道作用于塔頂的不平衡水平力，將此不平衡水平力引入已架設了部分主纜的整體結構中,計算其對已架設主纜線形的影響。在主纜架設過程中,通過監測貓道的線形來確定貓道對索塔的作用。貓道線形發生變化一般是由溫度及臨時荷載引起,貓道線形和溫度以及臨時荷載的分布可以通過測量獲得,臨時荷載的大小根據實際情況進行統計。主纜纏絲及索夾安裝完后,貓道被解除約束,改吊在主纜上,貓道荷載將以均布荷載形式作用在主纜上。由于此時貓道上用于架設主纜的某些臨時設施已拆除,須重新計算貓道荷載的集度。

3 溫度效應的影響

主纜架設過程中,其垂度對溫度變化非常敏感,溫度測試方法和溫度效應的準確計算對保證主纜的架設精度有極為重要的作用。目前對于溫度效應的計算多采用簡化計算方法,認為垂度改變量與溫度改變量成正比,即:

式中,β為計算系數,對于中跨β=16 n/3,對于邊跨β=16 n/(3cos3θ)。實際上,溫度改變引起主纜垂度改變的同時,索力也發生改變,升溫垂度增加,索力小;降溫垂度減小,索力增加。索力的改變又引起彈性伸長的改變。由于邊跨垂度較小,索力對垂度的變化更敏感,導致邊跨水平分力的變化量大于中跨水平分力的變化量。當索股架設數量足夠多時,不平衡水平力將使塔頂產生偏位。因此,溫度效應計算時,應計入索力改變引起的非線性效應,可根據無應力長度恒定不變的原理,按懸鏈線公式計算。

式中,S0為20℃時的無應力長度,且已知;SH為索力引起的彈性伸長;St為溫差引起的伸長量。

有應力總長公式又為:S′=2sh(cL/2/c(中跨)及S′=[sh(cL+a)-sha]/c(邊跨)，由兩者相等可迭代計算出懸鏈線參數c,再由以下公式:

以上公式中,跨徑L包含主纜溫度改變引起的塔頂偏位。

4 預偏量和索鞍頂推的實質

基準索股架設之前的預偏量是針對成橋設計跨徑的鞍座偏移量,而不是相對于索塔中心的鞍座偏移。預偏量設置的多少不會影響成橋時的跨徑,只是影響基準索股的架設標高和架設時的索力。設置預偏量實際上有雙重作用,一是減小施工難度,確保架設精度;二是確保索塔的安全。如果不設預偏量或預偏量設置很小,在主纜架設過程中,邊跨索力水平分力將遠大于中跨索力水平分力,索股在鞍槽內的固定難度大,隨著索股的架設,塔頂逐漸偏向邊跨側,塔根彎矩很大,同時主纜的跨徑和標高變化較大,無法控制施工精度。如果設置合適的預偏量,可使主纜架設容易且易于控制精度,雖然在吊桿張拉加載過程中,中跨索力水平分力又會逐漸大于邊跨索力水平分力,導致塔頂逐漸向跨中偏移,塔根反向彎矩很大,但通過分階段地頂推鞍座在塔頂上的預偏量,可確保索塔的安全。

在吊桿張拉加載過程中,如果鞍座與塔頂不固接,且鞍座與塔頂之間沒有摩擦,鞍座將會自動地逐漸向中跨滑移,而索塔保持豎直狀態。實際施工過程中,為防止鞍座克服了摩擦力后,突然地產生大量滑移,鞍座和塔頂是臨時固接的。由于索塔具有一定的抗推剛度,塔頂的偏位將稍小于鞍座的自由滑移量,顯然,如果索塔的抗推剛度無窮大,塔頂將不產生偏位;如果不計索塔的抗推剛度,塔頂的偏位將等于鞍座的自由滑移量。當計算表明某一吊桿張拉施工段將會使塔頂的偏位量大于允許偏位時,須在下一吊桿張拉施工段加載之前及時地頂推鞍座。隨著鞍座的頂推,索塔逐漸恢復豎直,作用在主索鞍上的不平衡水平力逐漸減至零。頂推至索塔恢復豎直所需的頂推量,應等于此階段鞍座的自由滑移量,由于此階段塔頂的偏位稍小于鞍座的自由滑移量,所以此階段的頂推量稍大于索塔的偏位,因此邊跨跨徑有所增加,中跨跨徑有所減小,跨徑的變化量即等于頂推量與索塔偏位之差。實際施工過程中,為減少頂推次數,當鞍座頂推至塔頂恢復豎直后,常常繼續頂推,直至塔頂偏向邊跨側一定允許值。

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