內(nèi)河懸吊斜拉橋梁吊索張拉優(yōu)化研究

摘要：文章研究了懸吊斜拉橋梁吊索張拉優(yōu)化，首先概述了懸吊斜拉橋組合體系橋梁吊索張拉與體系轉(zhuǎn)換的常用手段，在此基礎(chǔ)上從確立斜拉橋梁吊索張拉方案的原則、吊索張拉方案的改進(jìn)與優(yōu)化計(jì)算方法以及斜拉橋梁吊索張拉過(guò)程監(jiān)測(cè)三個(gè)方面，分析了自錨式懸索段吊索張拉方案，并對(duì)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)與優(yōu)選，闡述了自錨式懸索橋段吊索的張拉方案優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河橋梁；懸吊斜拉；吊索張拉優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）20-0034-02

斜拉懸吊組合體橋梁造型新穎、整體剛度大，因此比較廣泛地應(yīng)用于我國(guó)內(nèi)河橋梁中。但是由于這種橋梁屬于新型的造橋結(jié)構(gòu)，尚未有十分完備的施工經(jīng)驗(yàn)，不少工程問(wèn)題需要摸索解決，加之斜拉懸吊組合體的結(jié)構(gòu)與一般橋梁相比復(fù)雜度較高，難以清晰地標(biāo)度出其受力情況，而吊索張拉則屬于非線性的過(guò)程，難以直觀描述，所以為橋梁的設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)一些難以解決的問(wèn)題。合理成橋狀態(tài)內(nèi)力分布是橋梁分步施工各階段追求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和橋梁安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。本文研究了懸吊斜拉橋梁吊索張拉優(yōu)化，首先概述了懸吊斜拉橋組合體系橋梁吊索張拉與體系轉(zhuǎn)換的常用手段，在此基礎(chǔ)上從確立斜拉橋梁吊索張拉方案的原則、吊索張拉方案的改進(jìn)與優(yōu)化計(jì)算方法以及斜拉橋梁吊索張拉過(guò)程監(jiān)測(cè)三個(gè)方面，闡述了自錨式懸索橋段吊索的張拉方案優(yōu)化策略。

1 內(nèi)河懸吊斜拉橋梁吊索張拉概述

懸吊斜拉橋梁具有獨(dú)特的特點(diǎn)，決定了這種橋梁在建設(shè)中的具體工序必須遵循塔梁施工——纜索施工——體系轉(zhuǎn)換的順序。對(duì)于其中的塔梁施工，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)積累了許多成熟的施工工藝與管理方法，而纜索施工在我國(guó)的開(kāi)展尚未很廣泛，加上工藝復(fù)雜，積累的工程經(jīng)驗(yàn)并不多，可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)也不夠完善，因此在實(shí)際的施工過(guò)程中會(huì)面臨不少的技術(shù)難題和管理問(wèn)題。懸吊斜拉橋梁是近似閉環(huán)施工控制的典型橋梁類型。對(duì)于比較常見(jiàn)的斜拉橋和混凝土橋梁，基本上是以掛籃施工為主，在實(shí)際的施工中，能夠?qū)κ┕し桨负褪┕べ|(zhì)量進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行具有針對(duì)性的調(diào)整，能夠讓橋梁最后的線形和橋梁各部分所受的內(nèi)力控制在當(dāng)初設(shè)計(jì)最大限度之內(nèi)。而本文所述的自錨式懸索，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，主梁所受內(nèi)力狀態(tài)與連續(xù)梁相似，通過(guò)拉索索力改善主梁受力狀態(tài)。難以在施工階段通過(guò)不斷的跟蹤和調(diào)整對(duì)主纜線形進(jìn)行改變。在這種情況之下，當(dāng)橋梁的纜索施工完成之后，即使出現(xiàn)誤差，也難以在后面的施工中進(jìn)行調(diào)整。從這個(gè)角度講，本文所涉及的內(nèi)河懸吊斜拉橋梁施工屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。

當(dāng)前，在業(yè)界范圍之內(nèi)，內(nèi)河懸吊斜拉橋梁吊索張拉并不存在一個(gè)成熟的被廣泛認(rèn)可和采用的工程施工方法。對(duì)于這種橋梁比較先進(jìn)的施工方法可以分為兩種：第一種是整體頂升加勁梁，這種方法不必對(duì)橋梁吊桿張拉，但是施工難度比較大。第二種是先對(duì)吊索進(jìn)行安裝，再分階段張拉，這種施工方式稍簡(jiǎn)單一些，但是這種方式會(huì)產(chǎn)生許多位移因素，施工控制較為復(fù)雜。本文采用的是后一種

方法。

2 內(nèi)河懸吊斜拉橋梁吊索張拉方案的選擇與優(yōu)化策略

2.1 懸吊斜拉橋梁吊索張拉方案的原則

本文以某地的內(nèi)河懸吊斜拉橋梁實(shí)例進(jìn)行分析。由于懸吊斜拉橋梁同時(shí)存在剛性吊桿與斜吊桿，而在斜吊桿中，不但存在橫向的傾斜，同時(shí)也存在縱向的傾斜。所以，在進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，必須充分考慮這些結(jié)構(gòu)上的具體特點(diǎn)，同時(shí)兼顧工程項(xiàng)目對(duì)于工期的要求。所以，需要遵循的原則包括：

2.1.1 在橋梁吊索完工后，體系轉(zhuǎn)換也完成時(shí)，應(yīng)保證橋梁的所有構(gòu)件在受力方面與具體的線形方面均與最初的過(guò)程設(shè)計(jì)沒(méi)有較大的偏差。

2.1.2 在對(duì)吊索進(jìn)行逐步張拉的過(guò)程中，吊索的上端連線與下端連線不能存在過(guò)大的縱向偏差，以免使吊索被損毀。

2.1.3 橋梁的加勁梁部位不可出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力，必須保證合理的強(qiáng)度。

2.1.4 橋梁的主塔與副塔不能存在過(guò)多應(yīng)力，并且儲(chǔ)備足夠的壓應(yīng)力，避免出現(xiàn)過(guò)多的拉應(yīng)力。

2.1.5 減少吊索張拉的次數(shù)。

2.2 方案的優(yōu)化與選擇

如圖1所示為本文所選擇的內(nèi)河懸吊斜拉橋梁吊索張拉案例施工圖：

結(jié)合前文所述的橋梁吊索張拉需要遵循的原則，本文結(jié)合工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了三種具體的施工方案，下面對(duì)每一種方案進(jìn)行詳盡的闡述：

2.2.1 第一種施工方案。第一種施工方案采取的具體步驟是：（1）首先為橋梁安裝主纜，對(duì)分錨索力進(jìn)行有序的調(diào)整，逐步使橋梁的主纜形成線形；（2）為橋梁安裝背索，實(shí)現(xiàn)背索的首次張拉；（3）對(duì)圖1中的D7-D14進(jìn)行安裝，并進(jìn)行張拉；（4）實(shí)現(xiàn)背索的第二次張拉；（5）對(duì)圖1中的D5-D8以及D15-D16進(jìn)行安裝，并進(jìn)行張拉；（6）實(shí)現(xiàn)背索的第3次張拉；（7）對(duì)圖1中的剩余部分進(jìn)行安裝，并進(jìn)行張拉；（8）實(shí)現(xiàn)背索的第4次張拉。

2.2.2 第二種施工方案。第二種施工方案采取的具體步驟是：（1）首先為橋梁安裝主纜，對(duì)分錨索力進(jìn)行有序的調(diào)整，逐步使橋梁的主纜形成線形；（2）為橋梁安裝背索，同時(shí)保持背索處于無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)；（3）對(duì)圖1中的所有斜吊桿進(jìn)行安裝，并進(jìn)行張拉。

2.2.3 第三種施工方案。第三種施工方案采取的具體步驟是：（1）首先為橋梁安裝主纜，對(duì)分錨索力進(jìn)行有序的調(diào)整，逐步使橋梁的主纜形成線形；（2）為橋梁安裝背索，同時(shí)保持背索處于無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)；（3）對(duì)圖1中的所有斜吊桿進(jìn)行安裝，并由長(zhǎng)到短進(jìn)行張拉；（4）對(duì)圖1中的剩余鋼吊桿進(jìn)行安裝，并由長(zhǎng)到短進(jìn)行張拉。

在以上的三種方案中，斜拉懸索橋的塔頂位移均能夠限制在0.6米之下，因此符合橋梁副塔位移的工程質(zhì)量參數(shù)要求；對(duì)于從中間向兩邊張拉的順序，事實(shí)證明會(huì)在實(shí)際操作的過(guò)程中有小部分的斜吊桿應(yīng)力突破了技術(shù)體系的標(biāo)準(zhǔn)，因此在質(zhì)量安全方面有不足之處。而對(duì)于前兩種施工方案，在仿真過(guò)程中可知，由于應(yīng)力等方面的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致斜吊桿應(yīng)力超越了安全系數(shù)的范圍，因此無(wú)法滿足要求；加之方案一張拉的施工工序繁瑣，因此通過(guò)擇優(yōu)，最后選取了方案三。

2.3 張拉施工所遵循的原則與監(jiān)測(cè)

對(duì)懸吊斜拉橋梁進(jìn)行施工控制，其目標(biāo)是使成形的橋梁能夠?qū)崿F(xiàn)最初的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合上文的分析，自錨式懸索施工屬于比較典型的開(kāi)環(huán)控制體系，因此，在懸吊斜拉橋梁逐步成型的時(shí)候，其具體的狀態(tài)應(yīng)完全按照施工的實(shí)際進(jìn)行確定。此外，橋梁具體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量會(huì)與橋梁的最終狀態(tài)高度相關(guān)。所以在進(jìn)行橋梁體系轉(zhuǎn)換施工的時(shí)候，一定要結(jié)合橋梁具體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定詳細(xì)的控制目標(biāo)。在橋梁施工的時(shí)候，如果處于懸索初張拉階段，監(jiān)控的重點(diǎn)應(yīng)該放在橋梁懸索主纜的位移上；在橋梁施工到達(dá)力控階段的時(shí)候，監(jiān)控的重點(diǎn)應(yīng)該放在吊索力上；在橋梁成形并進(jìn)行局部調(diào)整的時(shí)候，監(jiān)控的重點(diǎn)應(yīng)該放在主梁的線形上。因?yàn)闃蛄涸谑芰Φ男再|(zhì)上屬于體系受力，而懸吊斜拉橋梁的受力又擁有自調(diào)整的優(yōu)勢(shì)，所以必須保證對(duì)橋梁副塔的受力進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。

2.3.1 對(duì)吊索張拉的控制。對(duì)橋梁吊索進(jìn)行張拉，是橋梁在其施工的初始階段，由于橋梁吊索的索力往往并不大，較小，在對(duì)其張拉進(jìn)行控制的時(shí)候，可以使吊索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。在這個(gè)施工階段，因?yàn)闃蛄旱牡跛魇芰Σ⒉淮?，因此在?duì)其受力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，往往會(huì)有比較大的誤差，而其“無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度”則能夠測(cè)量得比較準(zhǔn)確，所以便于進(jìn)行良好的控制。這一階段的橋梁主纜尚不具備較強(qiáng)的剛度，吊點(diǎn)的位置也容易發(fā)生比較大的變化，考慮到橋梁主纜在線形方面很容易受到周?chē)黝愐蛩氐挠绊懀渲袦囟鹊挠绊懸膊蝗莺鲆暎砸运髁刂茷橹鲬?yīng)該是比較合理的控制原則。

2.3.2 對(duì)吊索張拉的監(jiān)測(cè)。本文所研究的案例在橋梁全部的剛性吊桿上均布設(shè)有液壓傳感單元，而全部的柔性吊索則布設(shè)有磁通量傳感單元，所以，施工方只要結(jié)合這些傳感單元所傳遞的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)便可獲取背索所承受的拉力情況。在實(shí)現(xiàn)對(duì)張拉力的檢測(cè)與控制時(shí)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦以“頻率檢測(cè)法”和“油表檢測(cè)法”的綜合檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行確定，這樣能夠最大程度上使控制精度得到保證，一旦橋梁吊索長(zhǎng)度的理論數(shù)值與監(jiān)控?cái)?shù)值出現(xiàn)較大的偏差并且超過(guò)了閾值，應(yīng)立即停止主要工序并嚴(yán)格查找原因，進(jìn)行調(diào)整與彌補(bǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

斜拉橋體系的上部結(jié)構(gòu)由梁、索、塔三類構(gòu)件組成，斜拉橋在國(guó)內(nèi)應(yīng)用發(fā)展很快，本文結(jié)合內(nèi)河斜拉懸吊組合體橋梁的結(jié)構(gòu)特征與受力狀況，以某地區(qū)內(nèi)河大橋施工為實(shí)例，分析了自錨式懸索段吊索張拉方案，并對(duì)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)與優(yōu)選，本文的成果可以供內(nèi)河橋梁的設(shè)計(jì)者與施工方借鑒，具有比較好的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。

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作者簡(jiǎn)介：鄭宏（1969—），男，浙江湖州人，湖州市港航管理局高級(jí)工程師，研究方向：港口與航道。