橫向撐桿在空間纜索懸索橋主梁吊裝施工中的應用分析*

段瑞芳 白云騰

(陜西交通職業技術學院公路與鐵道工程學院1) 西安 710018) (長安大學公路學院2) 西安 710064)

0 引 言

空間纜索懸索橋同時存在豎向與橫向垂度，其主纜和吊索形成一個三維索系，這也使其更加的美觀.從靜力角度講，在對結構豎向承載能力產生的影響較小的前提下，這種體系可以使得纜索系統的橫向承載能力得到比較明顯的提高；從動力角度講，加勁梁與斜吊索組成了一個穩定的三角形，對稱斜吊索中的橫橋向水平分力夾住主梁，主梁由此得到鐘擺般的回復力，整體扭轉剛度由此得以提高.這種纜索體系可以有效抵抗橋梁的氣動失穩[1].目前，國內外典型的空間纜索懸索橋主要有韓國的永宗大橋[2-3]、美國的奧克蘭海灣新橋[4]、天津的富民橋[5]、廣州的獵德大橋[6]及杭州江東大橋[7]，這些都是自錨式懸索橋.

空纜狀態下的空間纜索懸索橋主纜橫橋向位置和成橋狀態下的差距非常大；從空纜狀態到成橋狀態的過程中，與平面索形懸索橋不同，空間纜索懸索橋的主纜及索夾不僅會發生豎向和縱向變位，而且還會發生橫橋向位移，這勢必伴隨著吊索上下端的偏轉.但是，索夾耳板和錨箱索導管都是按成橋狀態進行預制和安裝的，因此，成橋之前吊索兩個吊點的連線與索夾耳板軸線或錨箱索導管軸線之間必然會存在橫向夾角，當這個橫向夾角超限時，吊索在上端或下端會產生很大折角，降低吊索以及索夾的使用年限，甚至于無法安裝；同時，主纜的橫向位移也會引起主纜在主索鞍出口處的應力集中現象，導致鋼絲的受力不均勻問題.

針對以上問題，目前的解決方案主要有兩大類：①新型吊桿-索夾法.該方法采用帶球鉸支座的“空間大角度長調節量吊索”[8]來解決上述夾角問題，采用帶內索夾的“可轉動索夾”[9]來避免索夾偏心受力所產生的附加彎矩，以此來延長吊索和索夾的使用年限，這種方法在我國首座獨塔空間纜索自錨式懸索橋——天津富民橋中得到成功的實踐；②臨時吊桿法.該方法通過張拉對稱的臨時吊索，將主纜橫向拉到傾斜面，進而得到與成橋狀態較為一致的主纜線形.這種狀態下，吊索橫向傾斜角得到顯著減小，對吊索的安裝和張拉有利，避免附加彎矩和扭矩.這種方法在我國首座雙塔單跨空間纜索自錨式懸索橋——江東大橋中得到成功的實踐.

上述方法取得了一定的成功，但也存在著一些不足：①兩種方法都需要將吊桿事先錨固在主梁上，可以用于先梁后纜的施工，但在先纜后梁的施工中卻無法采用；②新型吊桿需采用下端梁頂連接形式，連接處受到強大的拉應力，其抗疲勞和耐久性值得探討；③臨時吊桿的索力在施工中必然會發生較大變化，從而直接影響主纜線形，因此需要在施工中不斷關注及調整臨時吊索的索力.

針對上述不足，本文為空間纜索懸索橋給出一種新的解決方法，并成功應用于背景工程中.

1 臨時橫向撐桿方案

1.1 臨時橫向撐桿原理

采用臨時撐桿將主纜對撐，主纜的空纜狀態將由平面線形變化為與成橋狀態相接近的空間線形，大大減小了吊索的橫向傾斜角，方便吊索上下端的安裝插入，有效地避免了主梁吊裝過程中吊索的彎折，使得吊索、索夾的使用年限得到了保證.

在主纜的1/4，1/2，3/4處安裝臨時橫向撐桿后，其橫橋向線形見圖1，與成橋狀態的基本吻合，因此，在后續的施工中，可以忽略掉索夾和吊索中微小的橫向變位與轉動，就只有索夾的縱向和豎向位移了.主梁吊裝的整個過程就簡化為傳統平面索形懸索橋的吊裝.臨時撐桿的拆除在主梁的吊裝過程結束之后進行.

圖1 撐桿設計原理圖

采用先纜后梁吊裝法施工的空間纜索懸索橋，由于吊索長度不變，當空纜時的索夾距下錨點的相對距離比成橋較大時，需要吊機提升主梁段以便吊索下端夠得到錨箱索導管，而這必然會導致吊索橫向傾斜角的進一步增大，導管口處的吊索不可避免的會出現更大的折角.對于短吊索(跨中)，問題更加嚴重，由于偏角太大，甚至可能出現吊索無法插入安裝的情況.

當采用臨時撐桿調整主纜線形之后，索夾的橫橋向位置與成橋狀態下的位置基本一致，豎向位置與空纜狀態下的位置基本一致(臨時撐桿自重較小，故其影響基本可以忽略)，吊裝時吊機需要把主梁段提升一個空纜與成橋狀態的豎向高差，吊索軸線與成橋狀態基本平行，與錨箱索導管軸線以及索夾耳板軸線的橫向夾角都非常小.

采用本文給出的臨時橫向撐桿方案，可以有效解決空間纜索懸索橋從空纜到成橋主纜橫向偏差較大而引起的吊索安裝問題.與已有方法相比，具有以下優點：①一次到位，無需調整.對于臨時吊桿方案而言，索力在施工中勢必會發生較大變化，而臨時吊桿索力的改變不可避免的會對自身的安全及主纜線形造成一定的影響，因此，這種方案在施工過程中得一直考慮臨時吊桿索力的大小并不斷調整，以滿足安全與線形要求.不同于臨時吊桿法的柔性約束，本文的臨時橫向撐桿法是一種剛性約束，橫向撐桿從力學上講屬于拉壓桿，能夠適應體系轉換過程中橫向力的正負變向而保證主纜的橫向約束不變，因此在施工過程中無需調整.②既適用于先梁后纜工藝，也適用于先纜后梁工藝.相比新型吊桿法和臨時吊桿法，本方案無需主梁提供下錨點.由于臨時撐桿的兩端分別只作用于兩根主纜，因此對于“先纜后梁”和“先梁后纜”工藝都同樣適用.③對吊索與箱梁的連接構造無限制.相比新型吊桿法，本文方法既能適用于錨管穿梁式，也適用于插耳式，無需因考慮空間纜索懸索橋的吊索安裝問題，而影響吊索下錨點的傳力與連接設計.

1.2 臨時橫向撐桿設計

據此，本文研究出一種臨時橫向撐桿，見圖2，主要組成部分有主桁架、電機、定位轉向輪、鋼絲繩和臨時索夾.主桁架由三品桁架組成，它是支撐和受力的主要構件.電機位于主桁架頂部，電機牽引鋼絲繩進而將主纜從空纜位置拉到成橋位置.鋼絲繩與主纜是通過臨時索夾以及索夾側面的錨套來連接的；索夾頂部預留軌道槽，用于主桁架的定位和滑動；主纜到達預定位置后，用錨固螺栓將其與桁架下弦桿進行固定.

除了纜間臨時撐桿的安裝與拆卸，其余的操作均在貓道上進行，施工安全性可以得到有效的保證.橫向撐桿屬于拉壓桿，需要驗算錨固螺栓和主桁應力強度.為了避免撐桿自重對主纜豎向線形的過多影響，應盡量采用輕質桁架.

圖2 1/2纜間臨時撐桿

臨時橫向撐桿需要驗算主纜拉移狀態與主纜鎖定狀態下的應力與變形.撐桿主桁架需要根據受力按照拉壓桿來設計，同時保證錨固螺栓的剪切強度滿足規范要求.

2 工程應用

2.1 工程背景

東苕溪大橋(75 m+228 m+75 m)是自錨式空間纜索懸索-斜拉體系.主跨見圖3，采用空間纜索懸索橋，矢高等于44.5 m,矢跨比等于1/7；主纜經散索套后散成七根單索錨固于主塔內；吊桿縱向基本間距為6 m.邊跨斜拉索縱向間距為10 m，上端錨固于主塔內，下端錨固于混凝土箱梁內.橋塔包括主塔和次塔，均采用鋼結構；主塔橫橋向是一個整體拱形結構，后仰20°；次塔柱不參與結構的受力，只是構造和美學需求.主梁采用鋼—混凝土混合梁，中跨為雙主梁鋼箱梁，邊跨為同外形的預應力混凝土箱梁，梁高3 m，箱梁全寬41.6 m.

該橋為半漂浮體系，橋塔處安裝雙向滑動支座和抗風支座各兩個.過渡墩主梁側安裝雙向、單向支座各一個.

橋塔基礎采用矩形承臺.承臺截面尺寸20.6 m×13.2 m、厚度3.5 m，每個承臺下設15根直徑2.00 m的鉆孔灌注樁.過渡墩采用墩身截面為倒圓角的矩形實心墩，承臺下設四根鉆孔灌注樁.

圖3 東苕溪大橋整體布置示意圖

該橋空纜狀態下的主纜為平面纜索，主纜橫橋向相隔16.02 m，成橋狀態下的主纜為空間纜索，主纜跨中橫橋向相隔31.364 m，主纜跨中橫橋向位移值為7.672 m.空纜狀態下滿足吊裝要求的吊桿最小橫向傾角，其最大值高達59.1°；而對于跨中區域吊桿，采用“先纜后梁”主梁吊裝工藝時，受限于吊桿長度，即使橫向傾角達到90°，即吊桿水平放置，其下端也無法夠到錨箱索導管，也無法完成主梁吊裝.

由于所跨航道繁忙，常用的“先梁后纜”施工方案無法實施.綜合考慮后，選用先纜后梁施工方案.主要施工工序如下：①現澆邊跨混凝土箱梁和鋼-混接合段，轉體施工橋塔，安裝主纜、索夾、斜拉索；②吊裝中跨主梁D，C，B16，B15節段，再依次吊裝A，B1～B5節段，再吊裝B14～B7節段，最后吊裝合攏段B6；③解除塔梁臨時連接進行體系轉換，焊接合攏段環焊縫.④拆除邊跨混凝土箱梁支架，橋面系施工，成橋.

臨時撐桿采用900 mm×1 500 mm的貝雷梁，長度34.12 m，質量10 t左右.實際工程中，三根撐桿的安裝時間是在掛吊索之前，貓道改吊之后.梁段B14，B13吊裝結束后，拆掉三根撐桿即可.

2.2 橫向撐桿對夾角的影響分析

圖4為在空纜狀態和撐桿狀態下，主梁滿足吊裝要求時，吊桿的最小橫向傾角.圖4中的成橋傾角，指的是吊索在成橋狀態下的橫橋向傾角，即為索夾與箱梁索導管的橫向傾角，范圍為10.0°～12.1°.

圖4 吊點橫向傾角

由圖4可知，空纜狀態下滿足吊裝要求的吊桿最小橫向傾角，其最大值高達59.1°，這一方面是由于空纜與成橋的橫橋向線形差別較大，另一方面是因為主梁吊裝過程中受限于吊桿長度，需要吊機提高主梁段以便吊索下端夠到錨箱索導管，這一過程勢必引起吊索橫向傾斜角的再次增大.尤其是對于12#～26#吊桿，即使橫向傾角達到90°，即吊桿水平放置，其下端也無法夠到錨箱索導管，也無法完成主梁吊裝.可見，直接在空纜狀態下吊裝主梁，不僅會使得吊索在導管口出現嚴重彎折，而且將無法吊裝跨中區域梁段.

相比而言，撐桿狀態下的吊桿橫向傾角為10.6°～16.1°，與索導管及索夾的最大偏角為4.0°，而改進后的吊索能適應土6°的轉角，完全可以保障主梁順利吊裝.

圖5為梁段吊裝過程中吊索的上下錨點連線的橫向傾角變化圖，由圖5可知，①在吊裝過程中，對稱吊索的上下錨點連線的橫向傾角大小基本相同.在吊裝B6西梁段后，東西兩側的吊索上下錨點連線的橫向傾角有差值，但差值不大，在±0.6°以內，可以忽略.②由于東、西撐桿并非同時拆除，在吊裝完B5梁段后拆除東撐桿，吊裝B14，B13梁段，再拆除中、西撐桿，使得吊裝B14，B13時，對稱吊索上下錨點連線的橫向傾角出現差值，西側傾角較東側稍小，差值分別在0°～2°，0°～1.7°，從西向東對稱吊索橫向傾角差值成先增大后減小趨勢，B5梁段對應的14#與24#吊索的上下錨點連線橫向傾角差值達最大，分別為2°和1.7°.

2.3 橫向撐桿受力分析

由于東、西臨時撐桿處于對稱位置，故其隨著主梁的吊裝施工，受力基本相同，整個施工過程均受壓力，峰值284 kN.在D，C，B16，B15東、A的吊裝中，中撐桿受壓力，峰值262 kN；在之后的工作階段中均受拉，峰值-226 kN.因此，撐桿的力學簡化模型為拉壓桿.

圖5 各種型號吊索橫向傾角變化圖

臨時撐桿主纜拉移狀態最大應力為112 MPa，最大位移為16 mm，見圖6；臨時撐桿主纜鎖定狀態最大應力為146 MPa，最大位移為19 mm，見圖7，均滿足規范要求，三根撐桿施工中安全、可靠.

3 結 論

1) 臨時橫向撐桿法可以有效解決采用主梁吊裝施工的空間纜索懸索橋，主纜從空纜到成橋線形橫向偏差較大而引起的吊索安裝問題.

圖6 臨時撐桿拉移狀態計算結果

圖7 臨時撐桿鎖定狀態計算結果

2) 橫向撐桿需要按照拉壓桿進行設計與驗算.

3) 臨時橫向撐桿法既適用于先梁后纜工藝，也適用于先纜后梁工藝.相比臨時吊桿法，其在施工過程中無需調整，不對體系轉換方案造成影響.