大跨徑懸索橋索股架設時錨跨張拉力控制研究

胡玉珠 趙培英 李慧君

(1.中國中鐵二院土建一院，四川成都 610031;2.成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川成都 610021)

0 引言

本文以珠江黃埔大橋南汊懸索橋為例，對大跨徑懸索橋索股架設時錨跨張拉力的施工控制進行分析。珠江黃埔大橋為主跨1 108 m的單跨鋼箱梁懸索橋，主纜分跨為(290+1 108+350)m，中跨為懸吊結構。主纜矢跨比為1/10，采用預制平行鋼絲索股(PPWS)，每根主纜中，從北錨碇到南錨碇的通長索股有147股，北邊跨另設6根背索，南邊跨另設2根背索，均在主索鞍上錨固。

懸索橋的施工控制以主纜的施工控制最為關鍵，主纜的施工控制是通過對中邊跨的主纜線形(無應力長度)控制和錨跨的張拉力控制實現的，雖然錨跨在懸索橋整個結構中只占很小一部分，但作為主纜的錨固體系，直接影響到主纜的線形和受力。如果對錨跨張拉力控制不合理，可能會出現各種不良后果，如索股受力不均勻，會使部分主纜受力過大，影響主纜索股的安全，降低主纜整體的安全系數，也可能導致索股在鞍槽內的滑動;錨跨無應力長度的變化會影響散索鞍偏位，并影響最終成橋之后主纜和橋面線形，以及主纜的受力。

錨跨的施工控制表面上是以張拉力為控制目標，實際上是以錨跨索股的無應力長度為目標，即實際的錨跨索股無應力長度等于成橋狀態的理論長度，也就是保證散索鞍在設計狀態。是否在索股架設階段就使無應力長度達到設計值，還要考慮散索鞍兩側的索力差值是否會造成索股滑動，就不得不考慮到溫度變化對索力差值的影響以及索股與散索鞍的摩擦力等因素。

本文將綜合考慮成橋狀態、溫度變化、索股摩擦力等因素，找出索股架設時合理的錨跨力分布模式，以及散索鞍的固定形式及釋放時機。

1 索股與散索鞍的摩擦力

散索鞍兩側索股張拉力不同時，索股會產生向索力大的一邊滑動的趨勢，產生摩擦力，當索力差值大于摩擦力時，索股會產生滑動，從而影響施工架設精度和施工安全。主纜抗滑驗算圖式見圖1。

公路懸索橋設計規范有如下規定:

鞍槽內主纜抗滑安全系數應滿足式(1)的要求。

其中，μ為主纜與槽底或隔板間的摩擦系數，一般取 μ=0.15;關于μ的取值，華盛頓橋(George Washington)實際測試的情況，認為μ可取0.2;αs為主纜在鞍槽上的包角，rad;Fct為主纜緊邊拉力，N;Fcl為主纜松邊拉力，N。

根據式(1)對黃埔大橋索股進行分析，結合散索鞍的構造形式αs≤0.734，減去最大值，由于邊跨索股的跨度和矢高相差很小，可以近似取相同值345 kN，當施工階段k值取1時，可得到:

由此可見，單純的索股摩擦力最大不過54.5 kN。當錨跨張拉力值不在以上范圍時，應采取額外的固定措施。

圖1 主纜抗滑驗算圖式

2 溫度變化對錨跨和邊跨索股張拉力影響

溫度變化會引起索股長度的變化，邊跨索股長度變化將引起索股垂度的變化，進而影響索股拉力的變化，錨跨索股長度的變化將引起橋索股拉力的變化。根據文獻［1］的論述，把索股近似看做拋物線，得到索力水平分力ΔH和溫度變化量Δt的關系如下:

其中，l為跨度;f為矢高;q為自重轉化的均布荷載;α為線膨脹系數;s為索長。從式(2)可以看出，由于l/f的巨大差值，單位溫度引起的水平力變化錨跨明顯大于邊跨。

如果把從與散索鞍的切點到錨點的索股看做直桿，溫度變化引起的索股張拉力變化值為ΔT=EAαΔt，E為彈性模量，A為索股凈截面面積，α為線膨脹系數，索力變化與溫度變化滿足線形關系。索鞍內索股編號見圖2。

本文根據文獻［2］提出的懸索橋精細解析方法，對珠江黃埔大橋左錨跨的部分索股力溫度效應進行計算，結果如下:

由圖3，圖4可以看出，散索鞍固定時，溫度增加10℃，錨跨索力減小63 kN左右，邊跨索力減小僅有2 kN左右，索力差值60 kN左右。懸索橋索股為減少溫度對調索精度的影響均為夜間調索并錨固，珠江黃埔大橋索股架設期間，夜間溫度25℃左右，白天最高氣溫40℃左右，溫度差15℃，索力差在90 kN左右，單純的索股摩擦力不能抵抗溫度力差值。

3 合理的錨跨索股力分布模式

文獻［3］提出兩種成橋狀態理想的錨跨力分布模式:1)成橋狀態各索股各自滿足對散索鞍的平衡條件;2)成橋狀態錨跨各索股在與散索鞍的切點處索力相等;并論證了兩種索力分布模式得到的索力相差很小，都是合理的成橋狀態分布模式。作者在文獻［4］中對珠江黃埔橋的分析也驗證了這一點。文獻［3］又根據散索鞍固定和自由兩種形態，結合兩種模式分為以下4種模型(見表1)，以這四種模型計算索股架設時的索股張拉力。

圖2 索鞍內索股編號

圖3 散索鞍固定時錨跨索力與溫度力關系

圖4 散索鞍固定時邊跨索力隨溫度變化曲線（擬合曲線）

表1 計算模型描述

兩種模式，四種模型均是以錨跨無應力長度與成橋狀態相等為前提，所以索股架設完成時，自由與固定模型錨跨力相同，模式一與模式二相差不大，且錨跨力均以下層大上層小的形式分布。

在架設初期，下層索力較大，加之散索鞍的自重影響，當散索鞍自由時，索鞍將向錨跨轉動，影響索股架設的精度及施工安全。由于索鞍位置處于易變狀態，給調索帶來很大困難，可見散索鞍保持自由只是理想狀態，故模型A和模型C不是合理的錨跨力控制模型，本文不再進一步論述。因為模型D與模型B在索股架設時錨跨力分布模式相似且相差不大［3］，本文僅就模型B進行討論。圖5為珠江黃埔大橋左錨跨根據模型B分析得到的錨跨張拉力，其中數值較大的為下層索股。

由圖5可以看出，下層索股張拉力大，向上逐漸減少，這與散索鞍在后期的轉動趨勢是相符的。其中最大索力將近440 kN，底部幾排索股錨跨張拉力均比邊跨大，索股均有向錨跨滑動的趨勢，在不采取其他固定措施的情況下，部分索股將產生滑動。

圖5 模型B索股架設張拉力

圖6 模式三索股架設張拉力

隨著索股的架設，索鞍支架將承受巨大的不平衡彎矩，增加施工的風險，在架設中期釋放散索鞍也很困難。可見模型B也不是合理的錨跨力分布模式。

本文提出另一種索股架設錨跨力分布模式三:索股架設時各索股各自滿足對散索鞍的平衡條件;圖6為根據此模式所得的錨跨張力，可以看出索力分布比較均勻，散索鞍在設計溫度下達到自平衡狀態。在模式三的錨跨力分布下，散索鞍固定時，索股摩擦力只需抵抗溫度變化引起的索力差值即可，散索鞍自由時，索股的自然摩擦力即能滿足索股在索鞍內的固定。因此選擇散索鞍的固定形式和釋放時機對索股的固定十分重要。

4 散索鞍的固定形式及釋放時機的選擇

前期幾根索股(尤其是基準索股)架設時，為保證架設的精度和安全性必須固定散索鞍，散索鞍固定時，索股在較低溫度時架設，即使采用模式三比較均勻的索力，在溫度升高時仍會產生較大的不平衡力，需要使用木楔擠壓索股增大摩擦力，或在索鞍處安放豎向千斤頂，通過設置在索鞍上的反力架對索股施加壓力，來增加索股與鞍槽、索股與索股之間的摩阻力，從而達到錨固作用。

當前幾根索股架設完成，根據邊跨及錨跨的力學特性可知，散索鞍向邊跨轉動難度遠大于向錨跨轉動，此時可釋放散索鞍向邊跨轉動的約束，在后期索股架設時，可保持散索鞍的穩定性，同時在白天溫度升高時散索鞍可自由向邊跨轉動，從而釋放溫度力，方便了后期架設索股在散索鞍處的固定。

當索股架設完成1/4左右，即可完全釋放散索鞍，此時散索鞍的轉動剛度很大，索股架設對索鞍的轉動影響很小，索股張拉力和主纜線形受索鞍的轉體影響很小，同時也釋放了散索鞍兩側的溫度力差值。

所以散索鞍經歷了固定→單側固定→完全釋放的過程。

5 結語

1)索股架設時采用模式三自平衡的錨跨力分布模式，可以減少散索鞍兩側的不平衡力，減小索股對索鞍的不平衡力矩，有利于索股在索鞍內的固定，減少散索鞍固定的難度。

2)散索鞍前期固定，采取木楔擠壓或千斤頂頂壓方式固定索股，保證索股架設精度;而后單側釋放，在保證穩定的同時釋放了白天溫度升高引起的索力差，更有利于索股在散索鞍的固定;最后自由，完全釋放溫度力，逐步達到設計狀態。

3)在索股緊纜完成后，索股之間的摩擦力增大，應根據錨跨索股無應力長度與成橋狀態相等的原則，將錨跨力分布調整到模式一或模式二狀態，從而使錨跨力隨著后期施工的進行逐步達到成橋設計狀態。

通過上述方法的采用，珠江黃埔大橋南汊懸索橋索股架設期間，減少了索股在散索鞍的固定難度，索股在散索鞍內未發生滑動。索股架設時，散索鞍保持穩定，散索鞍支架的拆除方便易行。

［1］ 沈良成，文 武.高溫下主纜絲股錨跨張拉力的合理控制值研究［J］.橋梁建設，2004(14):28-30.

［2］ 羅喜恒.復雜懸索橋施工過程精細化分析研究［D］.上海:同濟大學博士論文，2004.

［3］ 羅喜恒，肖汝誠，項海帆.懸索橋錨跨索股分析研究［J］.公路交通科技，2004(12):92-94.

［4］ 胡玉珠.大跨徑懸索橋主纜施工控制研究［D］.上海:同濟大學碩士論文，2008.

［5］ 范立礎，潘永仁，杜國華.大跨度懸索橋結構架設參數精細算法研究［J］.土木工程學報，1999，32(6):20-25.

［6］ 小西一郎.鋼橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1980.