内河悬吊斜拉桥梁吊索张拉优化研究

摘要：文章研究了悬吊斜拉桥梁吊索张拉优化，首先概述了悬吊斜拉桥组合体系桥梁吊索张拉与体系转换的常用手段，在此基础上从确立斜拉桥梁吊索张拉方案的原则、吊索张拉方案的改进与优化计算方法以及斜拉桥梁吊索张拉过程监测三个方面，分析了自锚式悬索段吊索张拉方案，并对方案进行了评价与优选，阐述了自锚式悬索桥段吊索的张拉方案优化策略。

关键词：内河桥梁；悬吊斜拉；吊索张拉优化

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0034-02

斜拉悬吊组合体桥梁造型新颖、整体刚度大，因此比较广泛地应用于我国内河桥梁中。但是由于这种桥梁属于新型的造桥结构，尚未有十分完备的施工经验，不少工程问题需要摸索解决，加之斜拉悬吊组合体的结构与一般桥梁相比复杂度较高，难以清晰地标度出其受力情况，而吊索张拉则属于非线性的过程，难以直观描述，所以为桥梁的设计与施工带来一些难以解决的问题。合理成桥状态内力分布是桥梁分步施工各阶段追求实现的目标和桥梁安全运营的基础。本文研究了悬吊斜拉桥梁吊索张拉优化，首先概述了悬吊斜拉桥组合体系桥梁吊索张拉与体系转换的常用手段，在此基础上从确立斜拉桥梁吊索张拉方案的原则、吊索张拉方案的改进与优化计算方法以及斜拉桥梁吊索张拉过程监测三个方面，阐述了自锚式悬索桥段吊索的张拉方案优化策略。

1 内河悬吊斜拉桥梁吊索张拉概述

悬吊斜拉桥梁具有独特的特点，决定了这种桥梁在建设中的具体工序必须遵循塔梁施工——缆索施工——体系转换的顺序。对于其中的塔梁施工，目前国内已经积累了许多成熟的施工工艺与管理方法，而缆索施工在我国的开展尚未很广泛，加上工艺复杂，积累的工程经验并不多，可资借鉴的经验也不够完善，因此在实际的施工过程中会面临不少的技术难题和管理问题。悬吊斜拉桥梁是近似闭环施工控制的典型桥梁类型。对于比较常见的斜拉桥和混凝土桥梁，基本上是以挂篮施工为主，在实际的施工中，能够对施工方案和施工质量进行评估并进行具有针对性的调整，能够让桥梁最后的线形和桥梁各部分所受的内力控制在当初设计最大限度之内。而本文所述的自锚式悬索，由于其结构的特殊性，主梁所受内力状态与连续梁相似，通过拉索索力改善主梁受力状态。难以在施工阶段通过不断的跟踪和调整对主缆线形进行改变。在这种情况之下，当桥梁的缆索施工完成之后，即使出现误差，也难以在后面的施工中进行调整。从这个角度讲，本文所涉及的内河悬吊斜拉桥梁施工属于开环系统。

当前，在业界范围之内，内河悬吊斜拉桥梁吊索张拉并不存在一个成熟的被广泛认可和采用的工程施工方法。对于这种桥梁比较先进的施工方法可以分为两种：第一种是整体顶升加劲梁，这种方法不必对桥梁吊杆张拉，但是施工难度比较大。第二种是先对吊索进行安装，再分阶段张拉，这种施工方式稍简单一些，但是这种方式会产生许多位移因素，施工控制较为复杂。本文采用的是后一种

方法。

2 内河悬吊斜拉桥梁吊索张拉方案的选择与优化策略

2.1 悬吊斜拉桥梁吊索张拉方案的原则

本文以某地的内河悬吊斜拉桥梁实例进行分析。由于悬吊斜拉桥梁同时存在刚性吊杆与斜吊杆，而在斜吊杆中，不但存在横向的倾斜，同时也存在纵向的倾斜。所以，在进行体系转换的过程中，必须充分考虑这些结构上的具体特点，同时兼顾工程项目对于工期的要求。所以，需要遵循的原则包括：

2.1.1 在桥梁吊索完工后，体系转换也完成时，应保证桥梁的所有构件在受力方面与具体的线形方面均与最初的过程设计没有较大的偏差。

2.1.2 在对吊索进行逐步张拉的过程中，吊索的上端连线与下端连线不能存在过大的纵向偏差，以免使吊索被损毁。

2.1.3 桥梁的加劲梁部位不可出现过大的应力，必须保证合理的强度。

2.1.4 桥梁的主塔与副塔不能存在过多应力，并且储备足够的压应力，避免出现过多的拉应力。

2.1.5 减少吊索张拉的次数。

2.2 方案的优化与选择

如图1所示为本文所选择的内河悬吊斜拉桥梁吊索张拉案例施工图：

结合前文所述的桥梁吊索张拉需要遵循的原则，本文结合工程实际情况，设计了三种具体的施工方案，下面对每一种方案进行详尽的阐述：

2.2.1 第一种施工方案。第一种施工方案采取的具体步骤是：（1）首先为桥梁安装主缆，对分锚索力进行有序的调整，逐步使桥梁的主缆形成线形；（2）为桥梁安装背索，实现背索的首次张拉；（3）对图1中的D7-D14进行安装，并进行张拉；（4）实现背索的第二次张拉；（5）对图1中的D5-D8以及D15-D16进行安装，并进行张拉；（6）实现背索的第3次张拉；（7）对图1中的剩余部分进行安装，并进行张拉；（8）实现背索的第4次张拉。

2.2.2 第二种施工方案。第二种施工方案采取的具体步骤是：（1）首先为桥梁安装主缆，对分锚索力进行有序的调整，逐步使桥梁的主缆形成线形；（2）为桥梁安装背索，同时保持背索处于无应力索长；（3）对图1中的所有斜吊杆进行安装，并进行张拉。

2.2.3 第三种施工方案。第三种施工方案采取的具体步骤是：（1）首先为桥梁安装主缆，对分锚索力进行有序的调整，逐步使桥梁的主缆形成线形；（2）为桥梁安装背索，同时保持背索处于无应力索长；（3）对图1中的所有斜吊杆进行安装，并由长到短进行张拉；（4）对图1中的剩余钢吊杆进行安装，并由长到短进行张拉。

在以上的三种方案中，斜拉悬索桥的塔顶位移均能够限制在0.6米之下，因此符合桥梁副塔位移的工程质量参数要求；对于从中间向两边张拉的顺序，事实证明会在实际操作的过程中有小部分的斜吊杆应力突破了技术体系的标准，因此在质量安全方面有不足之处。而对于前两种施工方案，在仿真过程中可知，由于应力等方面的问题，会导致斜吊杆应力超越了安全系数的范围，因此无法满足要求；加之方案一张拉的施工工序繁琐，因此通过择优，最后选取了方案三。

2.3 张拉施工所遵循的原则与监测

对悬吊斜拉桥梁进行施工控制，其目标是使成形的桥梁能够实现最初的设计方案。结合上文的分析，自锚式悬索施工属于比较典型的开环控制体系，因此，在悬吊斜拉桥梁逐步成型的时候，其具体的状态应完全按照施工的实际进行确定。此外，桥梁具体结构的施工质量会与桥梁的最终状态高度相关。所以在进行桥梁体系转换施工的时候，一定要结合桥梁具体的结构特点制定详细的控制目标。在桥梁施工的时候，如果处于悬索初张拉阶段，监控的重点应该放在桥梁悬索主缆的位移上；在桥梁施工到达力控阶段的时候，监控的重点应该放在吊索力上；在桥梁成形并进行局部调整的时候，监控的重点应该放在主梁的线形上。因为桥梁在受力的性质上属于体系受力，而悬吊斜拉桥梁的受力又拥有自调整的优势，所以必须保证对桥梁副塔的受力进行严格的监控。

2.3.1 对吊索张拉的控制。对桥梁吊索进行张拉，是桥梁在其施工的初始阶段，由于桥梁吊索的索力往往并不大，较小，在对其张拉进行控制的时候，可以使吊索无应力长度。在这个施工阶段，因为桥梁的吊索受力并不大，因此在对其受力进行测量时，往往会有比较大的误差，而其“无应力长度”则能够测量得比较准确，所以便于进行良好的控制。这一阶段的桥梁主缆尚不具备较强的刚度，吊点的位置也容易发生比较大的变化，考虑到桥梁主缆在线形方面很容易受到周围各类因素的影响，而其中温度的影响也不容忽视，所以以索力控制为主应该是比较合理的控制原则。

2.3.2 对吊索张拉的监测。本文所研究的案例在桥梁全部的刚性吊杆上均布设有液压传感单元，而全部的柔性吊索则布设有磁通量传感单元，所以，施工方只要结合这些传感单元所传递的实时数据便可获取背索所承受的拉力情况。在实现对张拉力的检测与控制时，结合实践经验，推荐以“频率检测法”和“油表检测法”的综合检测结果进行确定，这样能够最大程度上使控制精度得到保证，一旦桥梁吊索长度的理论数值与监控数值出现较大的偏差并且超过了阈值，应立即停止主要工序并严格查找原因，进行调整与弥补。

3 结语

斜拉桥体系的上部结构由梁、索、塔三类构件组成，斜拉桥在国内应用发展很快，本文结合内河斜拉悬吊组合体桥梁的结构特征与受力状况，以某地区内河大桥施工为实例，分析了自锚式悬索段吊索张拉方案，并对方案进行了评价与优选，本文的成果可以供内河桥梁的设计者与施工方借鉴，具有比较好的理论价值与实践意义。

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作者简介：郑宏（1969—），男，浙江湖州人，湖州市港航管理局高级工程师，研究方向：港口与航道。