大跨度斜拉橋拉索錨具參數(shù)的影響因素分析

林茂

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122）

大跨度斜拉橋拉索錨具參數(shù)的影響因素分析

林茂

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122）

通過對(duì)兩個(gè)大跨度斜拉橋拉索安裝事故問題進(jìn)行分析，總結(jié)了斜拉索下料長(zhǎng)度、錨具參數(shù)等的影響因素，指出目前設(shè)計(jì)中存在的不足，為大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)控提供借鑒。

斜拉橋；拉索；錯(cuò)具；參數(shù)；影響因素；事故分析

0 引言

大跨度斜拉橋因施工過程主梁變形大、塔頂位移大等原因，使得僅按規(guī)范規(guī)定計(jì)算無應(yīng)力索長(zhǎng)的辦法不能完全滿足施工要求。設(shè)計(jì)單位往往根據(jù)索具廠家的產(chǎn)品樣冊(cè)選擇與斜拉索配套的錨具標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而并不加以驗(yàn)算和修正。因此，斜拉索第一次張拉時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)錨圈不能戴到錨杯上，或者斜拉索最后一次張拉時(shí)錨杯長(zhǎng)度不足的情況。通過臨時(shí)補(bǔ)救措施可以在一定程度上解決這兩類問題，但會(huì)增加施工難度，甚至影響橋梁的安全性和耐久性。故大跨度斜拉橋索長(zhǎng)和錨具參數(shù)需要根據(jù)施工過程計(jì)算結(jié)果加以驗(yàn)算和修正。下面通過分析兩個(gè)工程事故成因來說明這個(gè)問題。

1 無應(yīng)力索長(zhǎng)計(jì)算方法

一般情況下，斜拉橋的拉索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度由設(shè)計(jì)單位根據(jù)合理成橋狀態(tài)確定，即采用梁上錨點(diǎn)與塔上錨點(diǎn)之間的距離作為長(zhǎng)度基數(shù)，再進(jìn)行彈性伸長(zhǎng)及垂度等影響因素的修正，一般在設(shè)計(jì)圖紙中給出，對(duì)于冷鑄錨斜拉索，下料長(zhǎng)度如圖1所示。

式中：L為拉索下料長(zhǎng)度；L0為每根拉索的長(zhǎng)度基數(shù)，是該拉索上下兩個(gè)索孔出口處在拉索張拉完成后錨固面的空間距離；ΔLe為初拉力（成橋索力）作用下拉索彈性伸長(zhǎng)的修正值；ΔLf為初拉力（成橋索力）作用下拉索的垂度修正值；ΔLML為張拉端錨具位置修正值，最終位置可設(shè)定螺母定位于錨杯的前1/3處；ΔLMD為錨固端錨具位置修正值，最終位置可設(shè)螺母定位于錨杯1/2處；LD為錨固板厚度；3d為拉索兩端所需的鋼絲墩頭長(zhǎng)度（每一墩頭長(zhǎng)度為1.5 d），d為鋼絲直徑。

圖1 斜拉索構(gòu)造示意圖

彈性伸長(zhǎng)量ΔLe和垂度修正值ΔLf分別按式（2）、式（3）計(jì)算：

式中：σ為拉索設(shè)計(jì)應(yīng)力；E為拉索彈性模量；T為拉索設(shè)計(jì)拉力：L0為拉索長(zhǎng)度基數(shù)；LX為L(zhǎng)0的水平投影；W為拉索每單位長(zhǎng)度質(zhì)量；A為拉索截面積。

如工廠下料時(shí)的溫度和橋梁設(shè)計(jì)中取定的溫度不一致，則在下料時(shí)還應(yīng)加溫度修正。如采用應(yīng)力下料，則要考慮應(yīng)力下料修正值。

斜拉索型號(hào)確定以后，錨具一般選擇索具廠家配套的標(biāo)準(zhǔn)錨具。但這些未考慮到施工過程索塔和主梁的變位，并且活載預(yù)拱度也會(huì)影響索長(zhǎng)取值。斜拉索精確下料則必須考慮施工過程并計(jì)算各塔上錨點(diǎn)實(shí)際成橋時(shí)的變位。

2 事故1：斜拉索最后一次張拉錨杯長(zhǎng)度不足

某大跨混凝土斜拉橋在懸臂澆筑過程中，隨著懸臂長(zhǎng)度的增大，斜拉索長(zhǎng)度增大，200 m以上長(zhǎng)度的斜拉索出現(xiàn)錨杯長(zhǎng)度不足的問題，以其中一根斜拉索構(gòu)造及張拉參數(shù)為例，進(jìn)行說明。表1、表2為某大跨斜拉橋其中一根斜拉索的張拉力一覽表及構(gòu)造參數(shù)表。

表1 斜拉索張拉力一覽表 kN

表2 斜拉索構(gòu)造參數(shù)表

假定斜拉索第一次張拉時(shí)，錨圈最外緣剛好處在錨杯最外端的位置（按照最理想情況考慮）。故，由于主梁抬高、索塔水平變位及斜拉索第一次張拉至第四次張拉引起的錨圈行程之和應(yīng)小于等于設(shè)計(jì)錨圈行程：

當(dāng)索力從T1變到T2時(shí)，Ernst及在美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）的暫行規(guī)定中，建議采用如下的修正彈性模量：

式中：E1即為有效彈性模量；E為不計(jì)拉索垂度影響的彈性模量；W，A，T分別為索單位長(zhǎng)度的重量、鋼絲索截面的面積，以及索的拉力；Lx為索水平投影的長(zhǎng)度。

按上式修正彈性模量后計(jì)算得到該索第一次張拉至第四次張拉錨圈行程之和為:

根據(jù)施工過程計(jì)算結(jié)果，新澆梁段斜拉索最后一次張拉也即第四次張拉時(shí)，主梁最前端拋高值為23.1 cm，塔向該側(cè)偏5.7 cm，如圖2所示。根據(jù)圖2所示幾何關(guān)系圖可推出結(jié)構(gòu)變形引起的錨杯拔出量為：

ΔL1=δ1sinα=23.1×sin23.6°=9.3（cm）——由于主梁豎向變位引起的錨杯拔出量

ΔL2=δ2cosα=23.1×cos23.6°=5.2（cm）——由于塔頂水平變位引起的錨杯拔出量

圖2 索力調(diào)整后結(jié)構(gòu)變形圖

故，錨圈行程為48.5+9.3+5.2=63（cm），遠(yuǎn)大于滿足設(shè)計(jì)要求的28.7cm。

而根據(jù)設(shè)計(jì)，斜拉索第一次張拉以后錨圈最大行程為2×H－2×L3＝75（cm）。事實(shí)上，該節(jié)開始設(shè)定的理想狀況很難滿足，斜拉索第一次張拉后，錨圈最外緣距離錨杯最外緣遠(yuǎn)一些則會(huì)加劇上述不利情況，少一些又會(huì)出現(xiàn)斜拉索第一次張拉后錨圈無法定位到錨杯上的情況，下文將討論這種情況產(chǎn)生的原因。

故，如不考慮施工過程，可能會(huì)出現(xiàn)錨圈錨固位置不能滿足設(shè)計(jì)要求的情況，更有甚者會(huì)出現(xiàn)在斜拉索張拉到位的時(shí)，鋼絲被拉出錨杯的情況。施工單位往往采取在錨杯和錨墊板之間墊鋼片的方式來解決錨杯長(zhǎng)度不足問題。然而這種臨時(shí)措施必將對(duì)橋梁安全性和耐久性帶來隱患，給徐變完成以后的調(diào)索帶來不利影響。故在大跨度斜拉橋施工時(shí)，有必要對(duì)錨具各部分尺寸進(jìn)行施工過程分析并修改錨具參數(shù)以滿足施工和安全要求。

3 事故2：斜拉索第一次張拉錨杯長(zhǎng)度不足

背景：某軌道交通斜拉橋，橋塔剛度很大，張拉斜拉索幾乎無水平位移（小于1 cm）。采用滿堂支架施工主梁，施工工序是首先張拉距離橋塔最遠(yuǎn)端的一根索，此時(shí)，主梁抬高僅為2～3 cm。因此，不考慮由于主梁和主塔變形引起的索套管距離（長(zhǎng)度基數(shù)L0）的變化。但是，由于該橋處于東北地區(qū)，掛索時(shí)處于冬季（-15℃），而斜拉索的出廠溫度為20℃，溫差效應(yīng)非常明顯。根據(jù)出廠質(zhì)量保證書，α=1.2×10-5，E=2.01×105MPa。斜拉索第一次張拉索力為1 650 kN。斜拉索示意圖同圖2所示，斜拉索構(gòu)造參數(shù)見表3所列。

表3 斜拉索構(gòu)造參數(shù)表

斜拉索第一次張拉時(shí)彈性引伸量為：

斜拉索第一次張拉完成后垂度效應(yīng)為：

溫度效應(yīng)為：ΔLt=Δtαl=35×170.344×1.2× 10-5=0.072（m）

故斜拉索第一次張拉后，錨固端錨圈按照設(shè)計(jì)要求定位于錨杯的1/2處，當(dāng)張拉端錨圈定位于錨杯最外緣時(shí)，斜拉索固定端、張拉端錨墊板最外緣空間距離為：

長(zhǎng)度基數(shù)L0為170.344 m，比l'大12.7 cm，故會(huì)產(chǎn)生當(dāng)錨固端放在設(shè)計(jì)位置時(shí)，斜拉索第一次張拉后，張拉端錨圈錨固長(zhǎng)度不足的情況。

在實(shí)際施工中，重新調(diào)整錨固端錨圈位置，將其定位于錨杯最外緣。而在后續(xù)的斜拉索第三次張拉時(shí)，產(chǎn)生張拉端錨杯長(zhǎng)度不足的情況，原因同第二節(jié)。此時(shí)又重新調(diào)整固定端錨圈位置，使其定位于錨杯最內(nèi)緣，問題才得以解決。

由于設(shè)計(jì)對(duì)斜拉索索長(zhǎng)和錨杯尺寸考慮不周全，造成施工反復(fù)。使得一端張拉工序變成兩端張拉工序，施工難度和張拉次數(shù)成倍增加。如若對(duì)錨具設(shè)計(jì)為一端張拉的情況下，則無法通過兩端張拉調(diào)整，這將造成經(jīng)濟(jì)及工期方面的損失。因此，此類問題應(yīng)引起足夠的重視。

4 結(jié) 語

大跨度斜拉橋由于施工過程中主梁主塔變形大、斜拉索第一次張拉時(shí)垂度效應(yīng)明顯等原因，使得按照規(guī)范計(jì)算所得無應(yīng)力下料長(zhǎng)度需要進(jìn)行適當(dāng)修正。在斜拉索滿足受力要求的情況下，與之配套的標(biāo)準(zhǔn)錨具同樣也會(huì)出現(xiàn)錨杯長(zhǎng)度過短的情況，在設(shè)計(jì)及施工監(jiān)控過程中，斜拉索的下料長(zhǎng)度和錨杯長(zhǎng)度、錨固位置等參數(shù)，必須考慮主塔主梁變形、斜拉索的張拉次數(shù)及張拉力、下料溫度和施工溫度等因素，并預(yù)留一定的富余量，以避免上述兩類事故的發(fā)生，保證斜拉索的耐久性。

U448.27

B

1009-7716（2017）03-0102-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.028

2017-01-06

林茂（1979-），男，四川南充人，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)與管理工作。