斜拉橋橋塔豎轉(zhuǎn)工藝拉索受力性能研究

徐 琛

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433]

0 引言

目前在空間網(wǎng)狀索面獨塔斜拉橋的橋塔施工過程中，鋼主塔常規(guī)采用支架法，人工輔助，節(jié)段空中焊接作業(yè)。既不安全，功效也低。此類橋塔一般可以考慮采取“橫拼豎轉(zhuǎn)”法，豎向轉(zhuǎn)體臨時結(jié)構主要由油缸、拉索、拉桿、壓桿、背索、轉(zhuǎn)鉸等組成，其中由李宇航對液壓油缸進行了研究分析[1]，由楊士成對轉(zhuǎn)動鉸進行了研究分析[2]。本文以某景觀斜拉橋梁為背景，對拉索在施工各階段受力狀態(tài)開展理論計算與現(xiàn)場實際監(jiān)測，并做了分析與對比。該橋梁是空間網(wǎng)狀索面獨塔景觀斜拉橋，橋塔為鋼塔，在成橋狀態(tài)下與主梁成82°夾角，向主跨傾斜，塔高104 m，采用豎向轉(zhuǎn)體法施工，轉(zhuǎn)體重量1 150 t，見圖1。

圖1 橋梁效果圖

1 拉索的作用

拉索是轉(zhuǎn)體臨時結(jié)構的重要組成部分，通過拉索將千斤頂產(chǎn)生的拉力傳導到至塔體進而使得橋塔由水平靜止狀態(tài)，以轉(zhuǎn)鉸為軸心，實現(xiàn)豎向轉(zhuǎn)體動作。拉索在此過程中主要承受拉應力，傳遞拉力和控制位移。目前常規(guī)應用中，拉索分剛性拉索和柔性拉索兩種，其中剛性拉索較多采用組合型鋼形式，柔性拉索則多采用平行鋼絲拉索或鋼絞線拉索。

相比剛性拉索，柔性拉索具有自重輕，安裝簡易，傳力順暢且價格低，運輸方便等優(yōu)點，相比平行鋼絲，鋼絞線標準強度大，整索自重輕，下料進度要求低、更換便捷、可單根調(diào)整索力等優(yōu)點。由此可見，采用鋼絞線作為拉索使用更具合理性。

2 豎轉(zhuǎn)工藝

2.1 豎轉(zhuǎn)臨時結(jié)構

主塔施工在邊跨現(xiàn)澆箱梁主橋完成施工后進行，主塔分節(jié)段用履帶吊吊裝至邊跨橋面拼裝胎架完成邊跨側(cè)主塔橫臥拼裝后并焊接成一個整體，然后安裝轉(zhuǎn)體臨時結(jié)構；豎向轉(zhuǎn)體臨時結(jié)構見圖2，其中拉索采用25×Φ17.8 鋼絞線，共4 束，分南北2 組。

圖2 豎轉(zhuǎn)臨時結(jié)構布置圖

2.2 轉(zhuǎn)體步驟

利用前錨4 臺560 t 穿心千斤頂逐級加載，采用“位置同步，載荷跟蹤”法通過行程傳感器，檢測南北兩側(cè)錨點轉(zhuǎn)體行程，通過計算機進行實時調(diào)節(jié)，確保兩者最大差值不超過1 cm，在同一側(cè)的兩個轉(zhuǎn)體油缸，壓力并聯(lián)使用，各臺千斤頂之間拉力差值不大于20 t。使穿心千斤頂按照20%→40%→60%→80%→100%逐級進行加載張拉拉索，通過拉索傳力。過程中以索力控制為主，線形控制為輔的“雙控”措施。

鋼主塔橫臥0°狀態(tài)→張拉拉索，使鋼主塔脫離胎架10 cm，靜載24 h→分級張拉拉索，塔體豎轉(zhuǎn)至20°→分級張拉拉索，塔體豎轉(zhuǎn)至41°→塔體豎轉(zhuǎn)至41°，張拉背索，并分級加載到指定荷載→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉(zhuǎn)至60°→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉(zhuǎn)至70°→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉(zhuǎn)至82°→對位焊接橋塔根部，分級張拉B1 和Z1 永久索形成自穩(wěn)，拆除臨時結(jié)構，完成橋塔轉(zhuǎn)體施工，見圖3。

圖3 橋塔豎轉(zhuǎn)立面示意圖

3 拉索的不同施工階段有限元分析

該橋為高次超靜定結(jié)構，且橋塔為傾斜構造，采用豎轉(zhuǎn)施工，施工過程中結(jié)構體系將隨施工階段不同而變化，鋼絞線作為主要傳力構件的類似工程施工經(jīng)驗較少，施工控制難度較高。受此影響可能引起橋塔內(nèi)力和位移偏離設計理論值，這種偏離累積到一定程度如不及時加以調(diào)整修正，有可能在施工過程中發(fā)生安全事故或成橋后斜拉橋結(jié)構的理想受力狀態(tài)將難以保證。因此施工過程中必須通過拉索對結(jié)構線形及內(nèi)力進行控制，及時掌握結(jié)構實際狀態(tài)，對施工步驟及控制條件作出調(diào)整，防止施工中的誤差積累，保證最終的成橋線形及結(jié)構受力合理。

利用MIDAS CIVIL計算軟件，將塔體離散成空間桿系，建立有限元靜力分析模型，分析每一豎轉(zhuǎn)工況，依次計算各施工工況下結(jié)構的內(nèi)力與變形。塔體和剛性壓桿設定為梁單元，拉索設定為桁架單元。模型中拉索分兩組，見圖4～圖7。各工況計算結(jié)果見表1。

表1 各工況計算結(jié)果表

圖4 拉索、柔性拉桿最大張拉力值（單位：kN）

圖5 塔體最大應力（單位：MP a）

圖6 壓桿最大應力值（單位：MP a）

圖7 結(jié)構最大變形圖（單位：mm）

4 拉索受力與理論分析的對比

為降低初始提升力，一般考慮提高初始起扳角度，以10°為例，該工藝下拼裝胎架為傾斜狀態(tài)，相較于0°，拼裝胎架高度有所提高，且每個格構柱標高均不一致，要求測量精度較高。塔尖尾端最后一個格構柱10°狀態(tài)下比0°狀態(tài)下要加高15 m，橫臥拼裝焊接難度和高空作業(yè)風險增大。

綜上所述，初始起扳角度選取為0°更適合于該工程。這勢必會提高拉索提升力，故對實際轉(zhuǎn)體各工況的拉索索力進行監(jiān)測，通過實際采集的索力數(shù)據(jù)，跟蹤計算分析理論狀態(tài)，得出和反饋控制措施，驗證0°狀態(tài)作為初始狀態(tài)的合理性與可靠性。

該工程實施過程中，通過在拉索表面設置應力計進行拉索拉力的監(jiān)測，并在不同轉(zhuǎn)體角度時進行數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)據(jù)見表2。通過采集的數(shù)據(jù)與有限元分析理論值進行對比分析，理論與現(xiàn)場變化軌跡基本吻合，且橋塔豎轉(zhuǎn)過程中，整體空間姿態(tài)較為理想，變化趨勢見圖8。橋塔最終對口位置準確無誤。

表2 塔體豎轉(zhuǎn)拉索拉力監(jiān)測結(jié)果表 單位：kN

圖8 監(jiān)測截面應力測點變化趨勢圖

由表2 和圖8 可知，橋塔豎轉(zhuǎn)過程中，受滾軸摩擦影響，南側(cè)牽引索張拉力均略大于北側(cè)牽引索張拉力，但整體誤差均在4.5%以內(nèi)，滿足設計和規(guī)范的要求。

5 結(jié)語

（1）針對高度較高的橋塔采用豎向轉(zhuǎn)體法可有效解決高空作業(yè)風險，提高施工效率，保證安裝精度。較常規(guī)吊裝方案具有顯著優(yōu)勢。

（2）拉索采用鋼絞線拉索相較剛性拉索與平行鋼絲拉索具有經(jīng)濟性好、安全性高、安裝方便、受力狀態(tài)清晰等優(yōu)點，更適用于高度較高、重量較大的塔體豎轉(zhuǎn)施工。

（3）拉索在轉(zhuǎn)體各階段的受力狀態(tài)通過采用有限元理論分析，實測采集數(shù)據(jù)結(jié)果與之相比基本吻合。

（4）本文未對柔性拉桿和剛性壓桿開展理論與實際研究對比分析，建議后續(xù)開展相應研究，并結(jié)合拉索的研究開展總體論證。