懸索橋主纜空纜狀態(tài)扭轉(zhuǎn)控制技術(shù)

主纜的扭轉(zhuǎn)剛度極小，在空纜狀態(tài)下，由于沒有其他約束，內(nèi)部應(yīng)力稍微不均勻，主纜便會(huì)自由扭轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出沿橋跨八分點(diǎn)增設(shè)吊重荷載來(lái)控制主纜扭轉(zhuǎn)。以國(guó)內(nèi)某千米級(jí)懸索橋?yàn)楸尘敖⒂邢拊Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算表明利用此方法來(lái)防止主纜在空纜狀態(tài)下發(fā)生扭轉(zhuǎn)是行之有效的。但隨著扭轉(zhuǎn)角的逐漸減小，增加吊重荷載對(duì)扭轉(zhuǎn)角的減小作用逐漸變小，因此實(shí)際采用的吊重荷載需根據(jù)實(shí)際控制需求作合理取值。

主纜； 空纜狀態(tài)； 扭轉(zhuǎn)剛度； 吊重荷載； 有限元計(jì)算

U448.25 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡(jiǎn)介］李則均（1996—），男，碩士，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道工程。

主纜的扭轉(zhuǎn)剛度極小，在空纜狀態(tài)下，由于沒有其他約束，內(nèi)部應(yīng)力稍微不均勻，主纜便會(huì)自由扭轉(zhuǎn)。溫度、日照以及先期索股內(nèi)應(yīng)力釋放等，都是引起內(nèi)部應(yīng)力不均勻的因素。對(duì)于采用騎跨式吊索的主纜，主纜扭轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)索夾扭轉(zhuǎn)，如果在吊梁前不進(jìn)行糾正，即使騎跨式吊索標(biāo)記點(diǎn)對(duì)位索夾標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行安裝，梁上由于吊索兩支不齊，稍微受力后會(huì)引起吊索滑移，導(dǎo)致吊索標(biāo)記點(diǎn)不再與索夾標(biāo)記點(diǎn)對(duì)齊，當(dāng)梁段吊裝上去之后，強(qiáng)大的吊索摩擦將約束主纜扭轉(zhuǎn)，由于主纜扭轉(zhuǎn)剛度較小，以后主纜將不再自由扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)姿態(tài)就會(huì)永久保持下去，從而影響索夾受力。本文將研究控制方案，在吊梁前把主纜扭轉(zhuǎn)消除。

1 主纜扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生原因及控制手段

主纜索股在架設(shè)牽引過程中由于貓道的振動(dòng)等問題會(huì)造成索股的扭轉(zhuǎn)，為避免此扭轉(zhuǎn)的發(fā)生，牽引過程中應(yīng)盡量使放索滾輪托架保持水平，減少貓道振動(dòng)，保證滾輪寬度為索股名義直徑的3倍，側(cè)面與水平面夾角控制為120°。錨頭放出后，每300 m在承重索上懸掛一只帶手柄的六邊形索夾，由2個(gè)人扶持錨頭托架手柄前行，行進(jìn)速度不超過30 ～40 m/min［1］。主纜索股入鞍時(shí)也易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，且索股的扭轉(zhuǎn)主要呈局部“S”形扭轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)生此種扭轉(zhuǎn)時(shí)，為方便人工操作，先用軟質(zhì)的布帶裹緊扭轉(zhuǎn)處，再安裝操作扣，并連接手柄。首先確定扭轉(zhuǎn)問題是出現(xiàn)在錨頭還是索股中部，如果是錨頭附近，需要安排2組以上的工作人員，分別前后間隔2 m左右站在索股兩邊，如果是索股中部，則需要安排3組以上的技術(shù)人員，按照從中間向兩側(cè)對(duì)稱反扭的方法進(jìn)行扭轉(zhuǎn)［2］。

以往對(duì)于主纜索股扭轉(zhuǎn)的研究主要關(guān)注于索股牽引及成纜過程。對(duì)于索股架設(shè)完成后空纜時(shí)期由于主纜索股內(nèi)部?jī)?nèi)力不均引起的扭轉(zhuǎn)的控制研究甚少。對(duì)于采用騎跨式吊索的主纜，主纜扭轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)索夾扭轉(zhuǎn)，如果在吊梁前不進(jìn)行糾正，即使騎跨式吊索標(biāo)記點(diǎn)對(duì)位索夾標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行安裝，梁上由于吊索兩支不齊，稍微受力后會(huì)引起吊索滑移，導(dǎo)致吊索標(biāo)記點(diǎn)不再與索夾標(biāo)記點(diǎn)對(duì)齊，當(dāng)梁段吊裝上去之后，強(qiáng)大的吊索摩擦力將約束主纜扭轉(zhuǎn)，由于主纜扭轉(zhuǎn)剛度較小，以后主纜將不再自由扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)姿態(tài)就會(huì)永久保持下去，從而影響索夾受力。本文提出一種新型控制方案，在吊梁前把主纜扭轉(zhuǎn)消除。

2 主纜集束體的扭轉(zhuǎn)剛度［3］

主纜是由多根鋼絲集束而成，全部索股架設(shè)完成后，經(jīng)歷了對(duì)股絲鋼絲進(jìn)行梳理、緊纜、安裝索夾及體系轉(zhuǎn)換、主纜纏絲這一過程而形成成橋時(shí)的主纜。在體系轉(zhuǎn)換過程中，隨著主纜內(nèi)力增加，橫截面鋼絲不斷地重新排列，形成更為穩(wěn)定的截面形式，同時(shí)主纜集束體的扭轉(zhuǎn)剛度也在不斷變化。被索夾包圍的主纜節(jié)段因索夾強(qiáng)大的緊箍力作用使得該部分集束體鋼絲間緊密接觸而不能發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，此處的主纜集束體可當(dāng)作一個(gè)實(shí)體截面來(lái)考慮。如果主纜集束體鋼絲沒有張力，則相鄰兩索夾之間的主纜集束體的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)介于主纜鋼絲間完全不黏接與完全黏接之間，主纜集束體扭轉(zhuǎn)剛度J的取值在極限范圍之內(nèi)，見式（1）。

Jmin=nπd432，Jmax=πD432（1）

式中：n為集束體鋼絲的總數(shù)；d為鋼絲的直徑；D為等面積實(shí)截面主纜的直徑。

3 主纜空纜狀態(tài)扭轉(zhuǎn)控制新技術(shù)

針對(duì)主纜由于溫度、日照以及先期索股內(nèi)應(yīng)力釋放等引起內(nèi)部應(yīng)力不均勻從而導(dǎo)致主纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)的問題。本文結(jié)合前人的研究，提出通過在主纜八分點(diǎn)處索夾位置添加臨時(shí)吊重來(lái)抑制主纜在梁段吊裝之前發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

由于主纜中心到索夾耳板稍孔有一定的距離，主纜由于各種因素產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，索夾耳板會(huì)隨著主纜扭轉(zhuǎn)而發(fā)生傾斜，在索夾上加上吊重荷載后，此豎向荷載會(huì)產(chǎn)生一定的恢復(fù)力矩，消除主纜的扭轉(zhuǎn)。

3.1 有限元模型建立

由于主纜單元抗扭以及抗彎剛度很小，因此在有限元模擬過程中通常用桿單元來(lái)模擬主纜，主纜只受軸力作用。但桿單元不具備空間轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，無(wú)法獲取主纜由于扭矩作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，因此本文采用梁?jiǎn)卧獙?duì)主纜進(jìn)行模擬。利用有限元分析軟件Ansys建立了大橋主跨空纜狀態(tài)模型，如圖1所示。主纜采用Beam44模擬。

3.2 主纜剛度取值

研究所采用懸索橋主纜由520股91絲直徑5.9 mm鋼絲組成，因此，主纜扭轉(zhuǎn)剛度范圍為5.6×10-6～2.66×10-1m4。最大剛度與最小剛度的比值為47 600?？煽闯龃朔秶^廣，本研究將分析主纜取不同扭轉(zhuǎn)剛度大小時(shí)扭轉(zhuǎn)荷載以及吊重荷載對(duì)其扭轉(zhuǎn)角的影響。表1為采用的剛度取值。

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)各種剛度取值的主纜模型施加不同大小的扭矩荷載使其發(fā)生扭轉(zhuǎn)，研究使不同扭轉(zhuǎn)角度恢復(fù)所需要的吊重荷載。計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中將主纜扭轉(zhuǎn)角小于0.45°作為主纜扭轉(zhuǎn)消除標(biāo)志，此時(shí)主纜斷面最低點(diǎn)的水平位移小于5 mm。圖2為4種剛度取值對(duì)應(yīng)的吊重荷載取值隨扭轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)圖。

從圖2中可以看出發(fā)生相同的扭轉(zhuǎn)角，扭矩荷載與扭轉(zhuǎn)剛度成正比例變化。所以傳統(tǒng)的在主纜上增設(shè)魚雷夾（增大主纜的扭轉(zhuǎn)剛度同時(shí)減小主纜的自由扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度）來(lái)防止主纜扭轉(zhuǎn)是行之有效的方法。在傳統(tǒng)防扭轉(zhuǎn)方案外，本研究提出的沿跨徑八分點(diǎn)增設(shè)吊重可以給主纜提供抗扭轉(zhuǎn)力矩。如表2所示，恢復(fù)主纜扭轉(zhuǎn)所需的吊重荷載隨著扭轉(zhuǎn)角近似呈正比例關(guān)系變化。且隨著主纜扭轉(zhuǎn)剛度取值的增大，恢復(fù)相同的扭轉(zhuǎn)角所需的吊重荷載隨著剛度呈正比例變化。因此實(shí)際設(shè)置前，可以通過試驗(yàn)得到主纜較為準(zhǔn)確的扭轉(zhuǎn)剛度，并對(duì)實(shí)橋橋位處的溫度場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)主纜可能發(fā)生的最大扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行研究，得到最大可能發(fā)生的扭轉(zhuǎn)角度，從而通過內(nèi)插求得所需的吊重荷載。實(shí)橋建設(shè)過程中，在已吊重的情況下若遇到極端環(huán)境或不可抗力因素使得主纜扭轉(zhuǎn)再次發(fā)生，可以通過增大現(xiàn)有吊重的方法將扭轉(zhuǎn)消除。

理論上在單純的吊重荷載作用下不能完全恢復(fù)主纜的扭轉(zhuǎn)，但可以將扭轉(zhuǎn)控制在一定程度之內(nèi)。因此研究固定的扭轉(zhuǎn)角度情況下，施加不同的吊重荷載，得到吊重后主纜的扭轉(zhuǎn)角度，研究吊重荷載的合理取值。

取主纜3號(hào)剛度方案，即主纜的扭轉(zhuǎn)剛度取實(shí)截面主纜扭轉(zhuǎn)剛度的1/100。施加扭矩使主纜跨中產(chǎn)生20°的扭轉(zhuǎn)角，分別在跨徑八分點(diǎn)施加0～4 800 kN的吊重荷載，研究主纜扭轉(zhuǎn)角的變化，結(jié)果如表3所示，變化趨勢(shì)圖如圖3所示。

從上述結(jié)果可以看出，隨著扭轉(zhuǎn)角的逐漸減小，增加吊重對(duì)扭轉(zhuǎn)角的減小作用逐漸減小，在當(dāng)前研究所取的抗扭剛度取值下，主纜產(chǎn)生了20°的扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)?shù)踔睾奢d取300 kN左右時(shí)可將主纜斷面下表面點(diǎn)水平位移控制在3.1 cm，當(dāng)?shù)踔睾奢d取1 000 kN左右時(shí)可將主纜斷面下表面點(diǎn)水平位移控制在1 cm左右，當(dāng)?shù)踔睾奢d取2 100 kN時(shí)可將主纜斷面下表面點(diǎn)水平位移控制在5 mm之內(nèi)，由此可以看出吊重取300 kN之后繼續(xù)增大吊重荷載，對(duì)于主纜扭轉(zhuǎn)角的減小收效甚微，因此吊重荷載的取值需根據(jù)實(shí)際控制需求進(jìn)行合理取值。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)由于溫度、日照以及先期索股內(nèi)應(yīng)力釋放等引起內(nèi)部應(yīng)力不均勻從而導(dǎo)致主纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)的問題。本文提出通過在主纜八分點(diǎn)處索夾位置添加臨時(shí)吊重來(lái)抑制主纜在梁段吊裝之前發(fā)生扭轉(zhuǎn)，有限元計(jì)算分析表明，該方法對(duì)主纜扭轉(zhuǎn)的抑制效果較好。

（2）恢復(fù)主纜扭轉(zhuǎn)所需的吊重荷載隨著扭轉(zhuǎn)角近似呈正比例關(guān)系變化。且隨著主纜扭轉(zhuǎn)剛度取值的增大，恢復(fù)相同的扭轉(zhuǎn)角所需的吊重荷載隨著扭轉(zhuǎn)剛度也呈正比例變化。

（3）隨著扭轉(zhuǎn)角的逐漸減小，增加吊重對(duì)扭轉(zhuǎn)角的減小作用逐漸減小，當(dāng)主纜扭轉(zhuǎn)角減小到一定程度之后繼續(xù)增大吊重荷載，對(duì)于主纜扭轉(zhuǎn)角的進(jìn)一步減小收效甚微，因此吊重荷載的取值需根據(jù)實(shí)際控制需求進(jìn)行合理取值。

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