自锚式悬索桥体系转换吊索张拉设计

刘少华

（北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100161）

引言

自锚式悬索桥主缆锚固于加劲梁两端，吊索与主缆受拉，加劲梁受压弯曲，构成自平衡索支承体系。其受力模式与斜拉桥相近[1-2]。两种桥型都是高次超静定结构，加劲梁受力对吊索力变化非常敏感，加劲梁和主缆所承担的恒荷载比例可以通过吊索张力大小的改变来调整，从而达到合理的成桥状态[3]。因此，自锚式悬索桥体系转换吊索张拉方案的设计是实现理想成桥状态的重要一环。

1 自锚式悬索桥体系转换

1.1 体系转换方法

自锚式悬索桥是一种自平衡体系，其主缆直接锚固于加劲梁两端，由加劲梁来承担主缆的水平分力。这造成了自锚式悬索桥一般必须先施工主梁，然后施工主缆，即先施工加劲主梁，后架设主缆的施工顺序；待主缆架设完毕，分批张拉吊索完成体系转换。

目前，先梁后缆的施工法，其体系转换又可以分成吊索张拉法和一次落梁法。吊索张拉法是以支架或临时墩上主梁为初始状态，通过分批吊索的张拉，实现体系转换；而落梁法是主梁线形有所抬升或顶升为初始状态，通过逐步卸架、松顶的方式，实现体系转换。

1.2 体系转换方案原则

自锚式悬索桥合理成桥状态确定完成后，施工过程的体系转换都以此为目标。吊索张拉完成时体系转换后悬索桥的各构件的受力满足规范要求，线形符合设计预期。另外，体系转换过程中还需满足吊索与套筒、主缆与主梁锚固套筒不相碰几何相容原则，体系转换过程中桥梁各构件受力安全原则及体系转换施工经济原则。

2 工程实例

2.1 项目概况

京承联络线潮白河大桥为一独塔自锚式悬索桥，跨径组合为35 m +135 m +165 m +35 m，其中两侧各设有35 m 预应力现浇箱梁配跨，索区主梁为扁平钢箱梁。主缆采用对称布置，横桥向主缆间距29.5 m，在成桥状态下，主跨跨度为159.8 m，理论矢高12.583 m，矢跨比为1∶12.7；边跨跨度为129.8 m，跨中垂度为8.343 9 m，垂跨比为1∶15.556。

吊索采用垂直布置见图1，间距9.0 m，两侧锚固处各设一对D130 mm 刚性吊杆；其余吊索采用85丝φ7 mm 的预制平行钢丝束，共25 对。全桥吊索自左向右分别为S1 号吊索至S27 号吊索，其中左边边跨为S1 ～S12，右边主跨为S13 ～S27[1]。

图1 桥型布置/cm

2.2 有限元分析

采用桥梁空间非线性分析系统BNLAS 计算。BNLAS 由两个子系统构成：主缆线形分析系统和结构空间计算分析系统。结构空间计算分析子系统基于非线性有限元理论，计入缆索单元的强变形、易转动空间因素，运用数值法求解单元的内力及位移[1,4]。体系转换吊索张拉采用此程序模拟计算。

将悬索桥主缆线形计算系统循环迭代所得理想成桥状态的主缆线形代入结构空间计算分析系统。基于有限位移理论，设定主梁的吊索端锚固点和支座支撑点的竖向位移逼近于零；水平位移在吊索上锚端逼近于零；计入主梁预长、桥塔预高等弹性伸缩补偿，保证主缆矢高不变，主缆各控制点位移趋近于零的目标函数，进行空间计算分析[1]。

计算按实际施工顺序：（1）桥塔柱施工；（2）在支架上浇筑混凝土梁段和钢混结合梁段；（3）在支架上拼装钢箱梁进行顶推；（4）钢箱梁合拢；（5）主缆的架设与安装；（6）分批次张拉吊索，达到一期恒载受力状态；（7）桥面铺装，成桥状态分析[1]。

2.3 吊索张拉方案的设计及计算

潮白河大桥采用先施工主梁，后架设主缆的施工顺序。体系转换的吊索张拉设计，遵循体系转换的几何相容、结构受力安全及经济的原则。在吊索张拉的各个阶段，无应力长度控制是吊索张拉的主要控制方法，某些吊索同时采用张拉力进行配合。

本桥为独塔非对称结构，根据结构特点、力学特性以及钢加劲梁假设方案等，吊索张拉顺序：（1）自桥塔向两锚跨张拉；（2）自左边跨最短吊索开始，自左向右张拉；（3）自右边跨最短吊索开始，自右向左张拉。经过反复计算分析，按从桥塔向两锚跨的顺序张拉最易控制且结构受力最好。以下对按这种顺序张拉吊索时的两个设计施工方案进行分析。吊索在张拉控制过程中遵循：张拉力不能太大，也不能超过吊带的允许张力。若按无应力长度一步到位进行张拉锚固时吊索张拉力太大，需先通过张拉力控制将相邻的吊索拉到一定的力。吊索张拉的次数及张拉力的大小，应按每个吊索张紧力不超过允许值的原则计算和确定。

2.3.1 自桥塔向两锚跨1 对吊索顺序张拉（方案一）

此张拉方案每一步骤张拉锚固1 对吊索，以合理成桥状态计算得到的吊索无应力长控制。张拉步骤：主跨自桥塔开始依次按无应力长度将S13 ～S15号吊索张拉到位，每一步张拉1 对吊索，共需3 步；然后顶推主索鞍。第4 步将边跨S12 号吊索张拉到位；第5 步张拉主跨S16 号吊索到位；第6 步张拉边跨S11 号吊索到位；按此方法边跨、主跨依次交替张拉，第13 步按无应力长度将主跨S20 号吊索张拉到位，第14 步将S6 号吊索张拉至1 200 kN，S7 号吊索张拉到位；按此规律张拉剩余吊索。

在整个吊索的张拉过程中，吊索的安全系数较大，见图2、图3。随着吊索按顺序张拉，各吊索受力逐渐增大，部分临时采用张拉力控制张拉的吊索也随着第二轮吊索的张拉完成达到设计索力。在吊索的张拉过程中，钢主梁由大间距临时支架支撑的连续梁受力状态转换为小间距吊索支撑的压弯受力模式，主梁上缘最大压应力78.77 MPa，下缘最大压应力63.21 MPa。方案一按两轮张拉，靠近主塔吊索一次张拉到位，远离主塔吊索需2 次张拉到位；共分27 个张拉步骤，全部吊索张拉完成。共需4 台千斤顶，需要20 根0.5 m 吊索接长杆。考虑到接长杆可以重复使用，共需4 根0.5 m 接长杆。

2.3.2 自桥塔向两锚跨2 对吊索对称张拉（方案二）

由于边跨与主跨非对称，在主跨依次按无应力长度张拉完S13 ～S15 号吊索、顶推主索鞍后，余下每一步骤张拉锚固2 对吊索，以合理成桥状态计算得到的吊索无应力长度控制。第4 步至第8 步分别 对 称 将S12 与S16、S11 与S17、S10 与S18、S9与S19、S8 与S20 号吊索张拉到位；第9 步先对称张拉S6、S22 号吊索至1 200 kN，再对称张拉S7、S21 号吊索到位；按此规律张拉剩余吊索，直至第14 步先对称张拉S1、S27 号吊索至1 600 kN，再对称张拉S2、S26 号吊索到位；最后第15 步对称张拉S1、S27 号吊索到位。

图2 主跨S13 ～S27 号吊索各张拉阶段索力

图3 边跨S1 ～S12 号吊索各张拉阶段索力

如图4、图5 所示，在整个吊索的张拉过程中，吊索的安全系数足够大，随着两轮吊索的全部张拉完成，吊索力达到设计索力；刚主梁上下缘应力逐渐增大，具备足够的应力安全储备。方案二按两轮张拉，靠近主塔吊索一次张拉到位，远离主塔吊索需2 次方能张拉到位；共分15 个张拉步骤，全部吊索张拉完成。共需8 台千斤顶，需要24 根0.5 m 吊索接长杆，考虑接长杆可以重复使用，共需8 根0.5 m接长杆。

图4 主跨S13 ～S27 号吊索各张拉阶段索力

图5 边跨S1 ～S12 号吊索各张拉阶段索力

由两种吊索张拉方案计算比较分析可知，京承联络线潮白河独塔自锚式悬索桥两种体系转换吊索张方案，均为两轮张拉。整个吊索张拉过程中吊索安全储备大，各吊索逐渐受力达到设计索力。随着吊索的张拉，钢主梁由大间距临时支架支撑的连续梁受力状态转换为小间距吊索支撑的压弯受力模式，主梁应力储备安全。从施工方面来说，方案一分27 个张拉步数，全部吊索张拉完毕，共需4 台千斤顶和4 根0.5 m 临时接长杆；方案二分15 个张拉步数，全部吊索张拉完成，共需8 台千斤顶和8 根0.5 m 临时接长杆。方案二由于采用对称张拉，施工协调控制较方案一复杂，综合来说，两种方案均满足要求，且控制值均比较合理。

3 结语

（1）对于非对称独塔自锚式悬索桥，综合考虑结构受力及空缆和成桥状态时跨中标高相差较大避免使用接长杆的因素，宜采取先张拉桥塔处吊索，从桥塔处向两侧张拉吊索比较容易控制。（2）同步张拉多根吊索，张拉步数比较少，施工工期较短，但需要的张拉千斤顶、接长杆数量较多，且张拉协调控制较复杂。（3）验证了采用无应力长度控制法进行吊索的安装张拉，张拉操作简便、准确、可控性强，可以比较准确和经济的实现自锚式悬索桥的体系转换。