大跨度懸索橋纜索吊裝系統(tǒng)承重索性能分析*

田仲初， 李真顏， 黃歡

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

隨著中國橋梁的大規(guī)模建設(shè)，大跨徑懸索橋愈來愈多。加勁梁吊裝是懸索橋施工中關(guān)鍵工序，目前主要采用纜載吊機、纜索吊機、橋面吊機及軌索滑移等方式，其中纜索吊裝法對各種環(huán)境的適應(yīng)能力強、起吊能力大，能將節(jié)段精準定位，是一種適宜的加勁梁吊裝方式。纜索吊裝系統(tǒng)可直接使用原橋的橋塔與錨碇，由于橋塔與錨碇是針對全橋進行設(shè)計，其使用風險性極低；而承重索需單獨設(shè)計施工，其風險性較大。該文研究懸索橋施工中纜索吊裝系統(tǒng)的承重索計算方法及設(shè)計垂跨比和初始安裝誤差對其性能的影響，為大跨度懸索橋纜索吊裝系統(tǒng)承重索設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

重慶某大橋纜索吊裝系統(tǒng)采用雙塔三跨設(shè)計，跨度設(shè)計為233.25 m(北岸)+739 m+240.82 m(南岸)，設(shè)計最大吊裝重量為250 t，垂跨比為1/14。采用2組承重索進行加勁梁吊裝，其橫向間距為10 m，每組平行布置10根直徑60 mm的鋼絲繩，相鄰單根承重索間距為124 mm，每組承重索上設(shè)置2輛起重跑車。采用原橋已修建的主塔為纜索吊裝系統(tǒng)的塔架，承重索索鞍安放于主塔的上橫梁上部，南北兩岸承重索均錨固于原橋重力錨頂部，左右幅承重索錨固系統(tǒng)以橋梁中心線對稱布置。鋼箱梁在預(yù)制工廠制作，通過水路運輸至施工現(xiàn)場，利用纜索吊裝系統(tǒng)吊運從跨中向兩端對稱安裝，直至合龍。纜索吊裝系統(tǒng)布置圖1。

圖1 重慶某大橋纜索吊裝系統(tǒng)的布置(單位：m)

2 中跨承重索受力分析

承重索由鋼絲繩組成，相對抗彎剛度較小，其受力特點可認為是完全柔性。空索狀態(tài)下，承重索只受自重荷載的作用。根據(jù)索所受自重荷載的分布形式，其線形計算方法分為懸鏈線法與拋物線法，前者假定自重荷載沿索的弧長均布，后者假定自重荷載沿索的弦線均布。不管采用哪種計算方式，其線形與內(nèi)力都是一一對應(yīng)的。懸鏈線法的計算公式為：

拋物線法的計算公式為：

式中：H為承重索水平力；q為承重索自重集度；f為跨中垂度；l為承重索跨度。

顯然，懸鏈線理論的假定更貼合實際情況。拋物線理論的假定則作了適當簡化，計算更方便，不用計算復(fù)雜的雙曲函數(shù)，便于在工程實際中進行推廣。為研究兩種計算方法的差別，按兩種方法分別計算重慶某大橋纜索吊裝系統(tǒng)中跨承重索的受力并進行比對分析。該橋纜索吊裝系統(tǒng)中跨兩端點等高、跨徑739 m，單根承重索自重均布荷載集度為0.154 kN/m。計算結(jié)果見表1和圖2。

表1 兩種算法水平力計算結(jié)果對比

圖2 兩種算法的水平力誤差曲線

表1及圖2表明：跨徑一定時，拋物線算法與懸鏈線算法的相對誤差隨著承重索跨中垂度的增加而增大，其總體相對誤差較小，即便承重索垂跨比達到1/11，兩種算法的誤差仍在1%左右。實際工程中，承重索垂度設(shè)計需考慮諸多因素，其決定牽引索和承重索的受力狀況，也影響纜塔高度；纜索吊裝系統(tǒng)的承重索設(shè)計垂跨比大都按照經(jīng)驗取值，一般取1/14～1/20，屬于低垂跨比。因此，兩種算法得出的結(jié)果相差更小，采用拋物線法進行承重索計算也可滿足工程要求。

3 承重索設(shè)計垂跨比分析

中跨承重索不同的設(shè)計垂跨比對承重索受力及撓度有較大影響，小的垂跨比有利于減小纜塔高度和牽引索索力，但會增大承重索索力。為探討不同承重索垂跨比對纜索吊裝系統(tǒng)的影響，以重慶某大橋纜索吊裝系統(tǒng)為原型，建立1/6～1/30共25種垂跨比的有限元模型進行計算分析。圖3、圖4分別為不同垂跨比時中跨承重索的索端張力及跨中撓度變化情況。

圖3 索力與垂跨比關(guān)系曲線

圖4 跨中撓度與垂跨比關(guān)系曲線

由圖3、圖4可知：1) 承重索索力基本呈線性增加，即較大的垂跨比對承重索結(jié)構(gòu)受力有利，可減小承重索用量。2) 跨中撓度的變化情況則較復(fù)雜，呈非線性變化趨勢。垂跨比為1/10時，集中荷載產(chǎn)生的跨中撓度最小，為16.812 m；垂跨比減小時，集中荷載產(chǎn)生的跨中撓度急劇增加；垂跨比減小到1/20時，跨中撓度增大到21.221 m，再減小，撓度開始減小。設(shè)計時垂跨比不會選擇太小，因為這會使承重索受力急劇增大，如該橋纜索吊裝系統(tǒng)垂跨比為1/10時中跨承重索張力為5 775.4 kN，設(shè)計垂跨比為1/25時中跨承重索張力為14 004.8 kN，幾乎是1/10時的2.5倍。因此，從承重索自身受力角度考慮，設(shè)計時按照經(jīng)驗取值的垂跨比不應(yīng)低于1/20。

4 承重索安裝誤差分析

纜索吊裝系統(tǒng)是施工臨時結(jié)構(gòu)，其承重索安裝方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。其中：并聯(lián)施工方法安裝要求高，需單獨調(diào)整每根承重索的垂度；串聯(lián)施工方法施工簡單，如北盤江大橋纜索吊裝系統(tǒng)的承重索就是通過串聯(lián)方式使各根承重索垂度相同，這樣雖然較容易調(diào)整垂度，但會增大施工風險，一旦有部分承重索發(fā)生斷裂等問題，整個系統(tǒng)都將遭到破壞。因此，如果選擇串聯(lián)方式，為降低風險，可將串聯(lián)調(diào)整好的承重索再并聯(lián)在一起。

承重索的安裝精度一般要求在5 cm內(nèi)，施工時一般采用全站儀無棱鏡模式放樣，會造成一定安裝誤差。為探究安裝誤差對纜索吊裝系統(tǒng)的影響，以重慶某大橋纜索吊裝系統(tǒng)為計算模型，計算垂度有差值的承重索在最大吊重工況荷載作用下達到同一垂度時的索力。安裝垂度為實際理論垂度，和其有高差的另一承重索垂度分別取-0.6、-0.4、-0.2、0.2、0.4、0.6 m(“-”表示比理論垂度低，“+”表示比理論垂度高)，不同垂度承重索在承受外加荷載后達到同一水平高度。計算結(jié)果見表2。

表2 承重索不同安裝誤差下的索力

表2表明：對于跨度739 m纜索吊裝系統(tǒng)的承重索，安裝誤差在0.2 m左右時，單根承重索張力差值在10 kN左右，占比在1%左右，即使安裝誤差達到0.6 m，單根承重索最大張力差值也只有30 kN左右，占比不到4%，而實際施工中承重索的安裝誤差不到0.2 m。因此，承重索安裝誤差對承重索受力的影響較小。

從起重跑車運行的平穩(wěn)角度考慮，由于索結(jié)構(gòu)大變形的特性，起重跑車與吊具等的重量很大，較易使有一定高差的承重索齊平，對起重跑車運行平穩(wěn)性的影響不會太大，實際施工時可采用并聯(lián)方式施工，以增加承重索的安全性。

5 結(jié)論

(1) 纜索吊裝系統(tǒng)的承重索設(shè)計垂跨比一般取1/14～1/20，屬于低垂跨比。在這個垂跨比范圍內(nèi)，拋物線法與懸鏈線法計算的承重索水平張力相對誤差在1%以內(nèi)，可滿足工程要求，且拋物線法計算簡潔方便，而懸鏈線法計算復(fù)雜繁瑣，推薦使用拋物線法進行懸索橋纜索吊裝系統(tǒng)承重索計算。

(2) 承重索索端張力與垂跨比線性相關(guān)，張力隨著垂跨比減小而線性增大；垂跨比為1/6～1/30時，在外部荷載作用下，隨著垂跨比減小，承重索撓度呈現(xiàn)先減小再增大后又減小的非線性變化趨勢，從承重索自身受力角度考慮，一般設(shè)計垂跨比不應(yīng)低于1/20。

(3) 承重索安裝誤差對承重索的受力與跑車運行平穩(wěn)性的影響較小，實際施工中沒有必要為減小安裝誤差而采用串聯(lián)方式施工承重索，建議采用并聯(lián)方式施工，以保證承重索的安全性。