淺析纜索吊系統纜風索對吊塔剛度影響

(重慶交通大學 重慶 400074)

纜索吊裝施工具有設備跨越能力大，水平和垂直運輸靈活，適應性廣等優點，是修建大跨徑拱橋和懸索橋的主要方法。懸索橋纜索吊吊塔通常固結于主塔上，主塔剛度較大，故吊塔剛度也大，一般無需設置纜風索。對于鋼管混凝土拱橋“纜索吊裝、斜拉扣掛”施工方法，扣塔作為臨時結構，為節省成本，扣塔一般剛度較小。為減小吊塔對扣塔塔偏的影響，通常吊塔與扣塔采用鉸接，阻止彎矩傳遞到扣塔，因而吊塔順橋向屬于機動體系，必須設置纜風索提供順橋向剛度，因此纜風索面積、彈模、初張力均會影響吊塔剛度。

一、依托工程纜索吊系統介紹

纜索吊系統跨徑布置為365m+504.4m+400m，凈吊重140T。吊塔結構采用鋼結構焊接而成，標準立柱采用φ630×12mm鋼管，吊塔底通過鉸接固定在扣塔頂端，立柱通過鋼板組焊件的鉸梁連接在一起；主索采用12φ60鋼絲繩，起重索采用2φ36鋼絲繩，牽引索采用φ42鋼絲繩；纜風索兩岸邊跨側后纜風索每側設計4組9φ15.2mm鋼絞線，中跨采用通風纜進行連接，通風纜采用4組3φ54mm鋼絲繩；為提高吊塔的橫向剛度，設置2組6φ15.2mm鋼絞線外八字形的斜纜風索。纜風索張拉力南岸側170T，北岸側175T，通風纜170T，側纜風56T。

二、纜風索對吊塔剛度影響分析

由于吊塔與扣塔采用鉸接，吊塔順橋向屬于機動體系，吊塔剛度主要通過張拉纜風索形成，故纜風索剛度直接反映吊塔剛度，由于索結構存在垂度效應，纜風索的剛度由材料自身彈模及張拉力決定。由于材料實際彈模及現場實際張拉力與理論存在偏差，從而導致吊塔塔偏與理論值不符。下文將通過有限元軟件Midas/civil分析纜風索彈模變化、初張力變化對吊塔剛度的影響大小。

(一)有限元模型建立

有限元建模分析采用有限元軟件Midas/civil。模型共建立節點2966個、單元3320個，其中纜風索采用索單元；邊界條件吊塔底部解除Y轉動約束；纜索吊吊裝荷載以節點力形式施加于吊塔頂。分析過程開啟非線性分項。

模型示意圖

(二)纜風索彈模對吊塔剛度影響

在實際工程中，鋼絲繩的彈性模量比較發散，且工作時間在變化，對于新出廠的鋼絲繩彈模相對較小。為分析纜風索彈模對吊塔剛度影響，在其他條件不變的情況下，纜風索彈模減小5%、10%、15%，分別計算額定吊重下吊塔的塔偏值。

在正常情況下，理論計算額定吊重下塔偏值為110mm，纜風索彈模減小5%、10%、15%情況下塔偏分別為115mm、121mm、128mm，由此可見纜風索彈模減小對吊塔剛度的影響近似線性影響關系。

(三)纜風索初張力對吊塔剛度影響

在實際工程中，由于吊塔順橋向屬于機動體系，張拉過程中吊塔隨之產生位移進而影響其他纜風索索力，纜風索初張力不易控制。當張拉過程中纜風索索力同時減小時，吊塔仍然處于平衡豎直狀態。由于大噸位張拉設備重，不便運算至塔頂，通常單根張拉鋼絲繩，根據預應力損失原理，先張拉的較后張的索力必然小，綜上原因，施工現場張拉力往往沒有達到設計索力。為分析纜風索初張力對吊塔剛度影響，在其他條件不變的情況下，纜風索初張力減小10%、20%、30%，分別計算額定吊重下吊塔的塔偏值。

在正常情況下，理論計算額定吊重下塔偏值為110mm，纜風索初張力減小10%、20%、30%情況下塔偏分別為113mm、118mm、126mm，由此可見纜風索初張力減小對吊塔剛度的影響近似拋物線關系。

三、結論

通過有限元軟件分析，纜風索彈模變化對吊塔剛度的影響近似線性影響關系。在架設纜風索時，建議對鋼絲繩彈性模量進行實驗，做好記錄，對吊裝過程塔偏分析提供依據。

通過有限元軟件分析，纜風索初張力變化對吊塔剛度的影響近似拋物線關系。在張拉纜風索時，可分級多次張拉，使吊塔塔偏變化幅度在某個較小范圍，以此減小纜風索之間相互影響以及減下預應力損失。