路 韡，杨子江，刘世忠，顾皓玮，黄洪猛

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2. 西北民族大学 土木工程学院，兰州 730030)

由于自锚式悬索桥成桥后主缆锚固于梁体，使其施工顺序成为先塔梁施工、后缆索系统施工[1].在缆索系统施工过程中，需要对吊索进行张拉，使梁体由支架支撑转换为吊索弹性支撑，这一过程称为体系转换[2-3].体系转换是复杂的过程，在制定方案时需对结构安全性、施工效率、后期运营等影响因素进行系统考虑.

对于独塔不等跨自锚式悬索桥国内已有多座桥梁施工经验.平胜大桥按先长索后短索，以吊索伸出量控制为主，兼顾索力的原则进行张拉[4]；猎德大桥按主跨先长索后短索，边跨先中索再短索、长索，以吊索无应力索长控制张拉[5]；鼓山大桥按先长索后短索，以吊索力控制张拉[6].以上桥梁体系转换过程仅对吊索张拉过程进行研究，未考虑混凝土徐变效应、主缆与鞍座间的抗滑移安全系数、二期铺装顺序等因素的影响.

本文以天水市罗家沟大桥为背景对原有设计体系转换方案进行优化，考虑运营阶段徐变效应对桥塔的影响，提出针对独塔不等跨自锚式悬索桥采用索鞍超前就位[7]，首轮先短索后长索、次轮先长索后短索的2轮张拉体系转换方案.

1 工程概况

天水市罗家沟大桥是甘肃省首座自锚式悬索桥[8]，桥跨形式为(50+115+85+50) m，主桥全长300 m.主缆成桥线形为多段悬链线，主跨垂跨比为1/9，全桥共设两道主缆，每道由19根索股组成，横向间距为17 m，主缆经滑移式散索鞍锚固于钢箱梁.吊索采用销接式、铅垂布置，纵向间距为6 m，每个吊点设一根吊索，共计31对，其中1#～3#吊索采用Φ125 mm钢吊索、4#～31#吊索采用85-Φ5.1 mm镀锌平行高强钢丝.钢主梁采用Q345qD钢材，为带挑臂的单箱三室正交异性板结构，梁高2.666 m.桥塔采用C55混凝土，塔高77 m.桥梁的总体布置如图1所示.

2 体系转换原则

2.1 体系转换目标

考虑到徐变效应在运营期间对结构的影响会引起桥塔向大跨方向倾斜、主梁下挠，从而导致结构内力和支点反力的重分布[9].为减少运营期间对结构的维护，可在施工期间通过设置桥塔预偏、主梁预拱度和调整吊索力的方法对结构线形和索力进行调整，进而确定出合理成桥状态，并以此作为体系转换的目标函数.

2.2 控制边界

罗家沟大桥在体系转换过程中控制边界为桥塔混凝土不出现拉应力，主梁最大拉、压应力不大于260 MPa；吊索材料强度分项系数不小于1.5，其中1#～3#刚性吊索最大索力不大于2 200 kN，4#～31#柔性吊索最大索力不大于1 600 kN；各支座不出现负反力；主缆与鞍座抗滑移安全系数大于2.0.

2.3 施工效率

对吊索的临时接长和过多轮次的吊索张拉均会增加施工成本[10]，因此体系转换方案应在结构安全的前提下应尽量减少吊索接长长度、吊索张拉轮次和索鞍顶推次数.

进入缆索安装阶段，可进行部分二期恒载的施工，这样既可以提高施工效率，又能有效增加钢主梁自重，保证在首轮吊索张拉过程中支座不易脱空.

3 体系转换方案

3.1 实施方案

结合罗家沟大桥的实际情况和体系转换原则，考虑混凝土徐变效应对结构的长期影响，以构件强度不超限值、索股在主索鞍不发生滑移、支座不出现负反力为控制边界，提出使用4套千斤顶、2轮吊索张拉方案，即首轮以主梁脱架、减少吊索接长为控制目标，索鞍采用可控状态自由滑移的方法顶推[11]并超前就位，吊索采用先短索后长索的张拉方案；次轮以合理成桥状态为目标，吊索采用先长索后短索的张拉方案.

罗家沟大桥主梁为钢箱梁，徐变效应仅对混凝土桥塔产生影响，确定合理成桥状态时，桥塔加载龄期按100 d计，徐变效应终止时间按10 000 d计.对沈锐利[12]提出的算法修正后可算得塔梁预偏量和索力调整值，即主塔向边跨预偏15 mm，主梁向上增设最大30 mm预拱度，边跨吊索力较设计值增加20 kN.

首轮“索鞍超前就位，先短索后长索”的张拉思路是首先逐对张拉“主跨长出段”吊索(图1)，并采用“索鞍超前就位”的方案将索鞍在首轮最初的几个工况内顶推至成桥位置，然后以减少吊索接长和主梁脱架为目标，按先短索后长索的顺序对主、边跨吊索逐对进行对称张拉.在逐对先短后长的张拉过程中，若抗滑移安全系数接近限值，可通过张拉“主跨长出段”内的其他吊索调整主缆在主跨的拉力，进而完成首轮张拉.为保证首轮张拉梁体能够顺利脱架，支座不出现负反力，避免梁体临时压重.在缆索安装阶段需进行部分二期恒载的施工，如铺装桥面混凝土保护层、浇筑防撞挡块底座等.次轮“先长索后短索”[13]的张拉思路是按先长吊索后短吊索的顺序对主、边跨吊索逐对进行对称张拉，最终使吊索力和结构线形达到合理成桥状态.罗家沟大桥体系转换施工步骤如表1所列.

表1 体系转换施工步骤Tab.1 Construction steps of the system transformation

由表1可知，首轮通过首先张拉“主跨长出段”5#吊索来平衡索鞍顶推后主索鞍两侧主缆水平分力，即可使主索鞍顶推至成桥位置.当逐对对称张拉至10#、27#吊索时，抗滑移安全系数接近限值，通过张拉“主跨长出段”4#吊索，调整主索鞍主跨侧主缆拉力.当完成18#、19#吊索张拉后，张拉剩余“主跨长出段”3#～1#吊索，进而完成首轮张拉.

3.2 计算结果与分析

采用有限元软件Midas Civil建立全桥模型，考虑滑移式散索鞍边界的影响[14]，按表1体系转换步骤进行仿真分析，得到结构变形、内力、索力等结果.在此仅列出关键构件的计算结果，首轮张拉吊索竖向位移如图2所示.图中以吊索由空缆至成桥竖向位移为基准，当吊索螺母上缘与锚杯上缘平齐时，设定为控制上限，若吊索位移量超出上限，则需安装垫板；当吊索螺母下缘与锚杯下缘平齐时，设定为控制下限，若吊索位移量超出下限，则需安装接长杆.

由图2可知，吊索在首轮张拉过程中竖向位移均在上、下限范围内，吊索无需临时接长.

主缆与鞍座间的抗滑移安全系数历程如图3所示，图中正值表示主缆轴力边跨侧为紧边拉力，负值表示主缆轴力主跨侧为紧边拉力.塔、梁交界处桥塔应力历程如图4所示.

由图3可知，本方案中主缆与鞍座间的抗滑移安全系数绝对值均大于控制边界2，施工阶段9通过对“主跨长出段”4#吊索张拉，增大了抗滑移安全系数；施工阶段22为拆架后剩余二期恒载施工，由于主跨长度大于边跨，剩余二期恒载施工后主跨侧主缆轴力大于边跨，抗滑移安全系数发生突变.

由图3、图4可知，抗滑移安全系数和桥塔应力变化相对平稳且安全系数和应力水平均处于较高值.这是由于主索鞍超前就位后主、边跨吊索张拉力基本保持对称.由上图可知抗滑移安全系数较塔梁交界处桥塔应力更为敏感，故在制定体系转换方案时，仅需关注抗滑移安全系数.

桥塔处支座反力变化历程如图5所示.

由图5可知，桥塔处支座在体系转换过程中始终处于受压状态，由于在缆索安装阶段进行部分二期恒载的施工，在首轮吊索张拉过程中(施工阶段3-20)支座反力有较大富余.

在体系转换过程中各吊索力变化历程如图6所示.体系转换过程中钢箱梁上、下缘应力包络图如图7～8所示.

由图6可知，在体系转换过程中刚性吊索最大索力为1 700 kN(3#、施工阶段18)，柔性吊索最大索力为1 093 kN(4#、施工阶段17)，各吊索力始终满足安全受力边界，并在次轮张拉过程中力值逐渐趋于目标函数值.

由图7、图8可知，在体系转换过程中钢箱梁上缘最大拉应力为30.2 MPa，最大压应力为34.4 MPa；下缘最大拉应力为31.2 MPa，最大压应力为61.7 MPa，加劲梁受力处于安全状态.

4 结论

天水市罗家沟大桥在施工过程中采用了本文体系转换方案，各构件应力均在规范容许范围内，桥塔预偏、主梁预拱达到了计算设置的成桥目标，目前运营情况良好.通过对理论计算和成桥数据进行分析，可得出以下结论：

1) 考虑了徐变效应对结构的长期影响，制定出合理成桥状态，减少了结构后期的调整；

2) 部分二期恒载在缆索架设阶段施工，避免了首轮张拉对梁体的配重，提高了施工效率；

3) 首轮“索鞍超前就位，先短索后长索”的张拉方案，使吊索无需接长，抗滑移安全系数和桥塔应力变化平稳，简化了计算分析过程，节省了施工成本.