陈运祥

摘要：为了确定三塔自锚式斜拉悬索协作体系桥最优吊索方案，按照吊索张拉原则，提出了四套吊索张拉方案，并对该四套方案进行优化对比，提出最优方案；为以后同类桥梁设计及推广应用提供理论依据。

关键词：三塔自锚式斜拉悬索协作体系桥吊索优化理论依据、

Optimization design of three tower of self anchored cable-stayed suspension bridge sling

Abstract:In order to determine the optimal design of selfanchored cable stayed suspension bridge slingscheme,in accordance with the sling tension principle,Put forward four sets of suspender tensioning scheme,And the four set of program to optimize the comparison, put forward the optimum plan; to provide theoretical basis for similar bridge design and application.

Key words:Three tower of self anchored cable-stayed suspension bridge;sling optimization; Theoretical basis

中图分类号：S611文献标识码： A

1、引言

三塔自锚式斜拉悬索协作体系桥是一种新型的缆索承重桥梁，由主缆、斜拉索、吊杆、加劲梁、主塔、副塔及基础等几个主要部分组成。缆索在恒载作用下具有很大的初始张拉力，对后续结构形状提供强大的“重力刚度”，这是加劲梁高跨比得以减小的根本原因。三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥的加劲梁、桥塔还承受主缆和斜拉索传来的巨大的轴向压力，加劲梁和桥塔在恒载作用下，以轴向受压为主，在活载作用下，以压弯为主，因此在结构分析时要计入压弯耦合效应影响。说明该类桥梁结构体系复杂，技术难度大。关键的问题是以主塔为中心的斜拉桥部分和两个以副塔为中心的斜拉-自锚式悬索桥部分的独立成桥状态的确定。因此，有必要对以上部分的吊索张拉工艺进行探讨，以确定最优施工方案。

针对上述问题，本文基于陕西某三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥，对此类新型桥梁进行体系优化研究，提出了四套吊索张拉方案，并对该四套方案进行对比，提出最优施工方案；为今后同类桥梁设计及推广应用提供理论借鉴和参考。

2、桥梁工程概况

主桥为三塔斜拉-自锚式悬索协作体系桥，分为斜拉索体系段与斜拉-自锚式悬索结合体系段。主塔为钢筋混凝土H型塔，采用塔梁墩固结形式。副塔为钢箱混凝土拱型塔，采用塔墩固结，塔梁分离结构形式。主桥跨径组合为：25m（边跨自锚段）+90m（悬索段）+2×162.5m（斜拉索区段）+90m（悬索段）+25m（边跨自锚段）＝555m。边、中跨比为0.55。主梁纵向设置双向1.5%纵坡，在桥梁主塔处设置R＝3000m的竖曲线。桥梁总宽度为40m，双向6车道，单车道宽度为3. 75 m，机动车道总宽度为23.5m。主桥两侧索区隔离带宽各2.5m，非机动车道宽各3.5m，人行道宽各2.25m。总体布置如图1所示。

图1 桥梁总体布置示意（单位：cm）

3、桥梁结构模型

本桥采用了脊骨梁模型，主梁采用MIDAS/Civil软件中的三维梁单元来模拟；斜拉索、背索采用桁架单元来模拟，初始几何刚度采用赋值初拉力的方式实现；桥塔、桥墩等均用空间梁单元进行模拟，基础代之以固定支座模拟；悬索主缆采用只受拉单元中的索单元，斜拉索及吊杆采用桁架单元；主梁及桥塔模拟为梁单元，全桥共划分节点941个，单元947个。其中梁单元707个，桁架单元240个。全桥结构计算模型及单元离散如图2所示。其中主缆各点位置编号及坐标系如图3所示。

图2 全桥计算模型示意

图3主缆各点编号及坐标系示意

4、桥梁结构吊索

4.1 吊索张拉的原则

（1）吊索索力

斜拉索索力安全系数按2.5控制，即σ<[σ]=744 MPa。悬索主缆、斜吊杆、背索索力安全系数按2.5控制，即σ<[σ]=668 MPa。

（2）副塔塔顶水平变位

副塔应力通过副塔塔顶水平变为控制，索塔水平位移控制在±50mm。

（3）加劲梁应力

加劲梁采用满堂支架施工，吊索张拉过程中钢混结合加劲梁处钢箱梁部分应力不超过容许值[σ]=210 MPa。混凝土加劲梁正截面应力最大压应力不超过容许值[σ]=18.14 MPa, 最大拉应力不超过容许值[σ]=1.48 MPa。钢混结合加劲梁处钢箱梁部分应力不超过容许值[σ]=210 MPa

4.2 悬索桥吊索张拉方案

按照以上确定的吊索张拉原则，在结构分析计算过程中，提出了四套吊索张拉方案，以下对该四套方案进行对比。各方案详细过程如表1至4所示。

表1悬索段吊索张拉步骤表（方案一）

施工

阶段 施工步骤 施工内容

吊索张拉前 0 副塔施工完毕，加劲梁安装完毕

1 安装主缆，调整分锚索力使主缆至空缆线形

2 加主缆索夹

3 XXM3张拉至1484.94kN

4 XXM2张拉至1384.08kN

5 XXM4张拉至1286.01kN

6 XXM1张拉至1200.00kN

7 XXM5张拉至1186.87kN

8 DM12、DM13、DM14、DM15、DM16、DM17张拉到位

9 XXM3张拉至4448.55kN

10 XXM2张拉至4605.71kN

11 DM8、DM9、DM10、DM11、DM18、DM19张拉到位

12 XXM4张拉至5139.35kN

13 XXM1张拉至5052.96kN

14 XXM5张拉至4436.84kN

15 DM6、DM7、DM20、DM21张拉到位

16 DM4、DM5、DM22、DM23张拉到位

17 DM3、DM2、DM1张拉到位

18 XXM5张拉至5861.67kN

19 XXM4张拉至6305.86kN

20 XXM3张拉至 6555.23kN

21 XXM2张拉至6450.26kN

22 XXM1张拉至6262.93kN

23 拆除临时支撑，悬索段独立成桥

表2悬索段吊索张拉步骤表（方案二）

施工

阶段 施工步骤 施工内容 备注

吊索张拉前 0 副塔施工完毕，加劲梁安装完毕

吊索张拉过程 1 安装5根背索，使背索不受力

2 安装主缆，调整分锚索力使主缆至空缆线形

3 加主缆索夹

4 DM12、DM13张拉到位 第1次张拉吊索

5 调背索索力到理论值 第1次调整背索

6 DM14、DM15张拉到位 第2次张拉吊索

7 XXM3张拉至4675.5kN 第2次调整背索

8 XXM2张拉至4136.2kN

9 XXM4张拉至3727.8kN

10 XXM1张拉至4046.7kN

11 XXM5张拉至2837.1kN，再调整其余背索索力到理论值

12 DM10、DM11、DM16、DM17张拉到位 第3次张拉吊索

13 DM8、DM9、DM18、DM19张拉到位 第4次张拉吊索

14 XXM3张拉至6498.6kN 第3次调整背索

15 XXM2张拉至5754.5kN

16 XXM4张拉至5127.7kN

17 XXM1张拉至5536.8kN

18 XXM5张拉至3762.4kN，再调整其余背索索力达到理论值

19 DM6、DM7、DM20、DM21张拉到位 第5次张拉吊索

20 DM4、DM5、DM22、DM23张拉到位 第6次张拉吊索

21 XXM5张拉至4803.6kN 第4次调整背索

22 XXM4张拉至 5217.6kN

23 XXM3张拉至 5690.4kN

24 DM3张拉到位

25 DM2张拉到位

26 DM1张拉到位 第7次张拉吊索

27 XXM2张拉至6080.9kN 第8次张拉吊索

28 XXM1张拉至5948.9kN 第9次张拉吊索

29 拆除临时支撑，悬索段独立成桥

表3悬索段吊索张拉步骤表（方案三）

施工

阶段 施工步骤 施工内容 备注

吊索张拉前 0 副塔施工完毕，加劲梁安装完毕

吊索张拉过程 1 安装5根背索，使背索不受力

2 安装主缆，调整分锚索力使主缆至空缆线形

3 加主缆索夹

4 DM23、DM22张拉到位 第1次张拉吊索

5 调背索索力到理论值 第1次调整背索

6 DM21、DM20张拉到位 第2次张拉吊索

7 XXM3张拉至4675.5kN 第2次调整背索

8 XXM2张拉至4136.2kN

9 XXM4张拉至3727.8kN

10 XXM1张拉至4046.7kN

11 XXM5张拉至2837.1kN，再调整其余背索索力到理论值

12 DM19、DM18、DM17、DM16张拉到位 第3次张拉吊索

13 DM15、DM14、DM13、DM12张拉到位 第4次张拉吊索

14 XXM3张拉至6498.6kN 第3次调整背索

15 XXM2张拉至5754.5kN

16 XXM4张拉至5127.7kN

17 XXM1张拉至5536.8kN

18 XXM5张拉至3762.4kN，再调整其余背索索力达到理论值

19 DM11、DM10、DM9、DM8张拉到位 第5次张拉吊索

20 DM7、DM6、DM5、DM4张拉到位 第6次张拉吊索

21 XXM5张拉至4803.6kN 第4次调整背索

22 XXM4张拉至 5217.6kN

23 XXM3张拉至 5690.4kN

24 DM3张拉到位

25 DM2张拉到位

26 DM1张拉到位 第7次张拉吊索

27 XXM2张拉至6080.9kN 第8次张拉吊索

28 XXM1张拉至5948.9kN 第9次张拉吊索

29 拆除临时支撑，悬索段独立成桥

表4悬索段吊索张拉步骤表（方案四）

施工

阶段 施工步骤 施工内容 备注

吊索张拉前 0 副塔施工完毕，加劲梁安装完毕

吊索张拉过程 1 安装5根背索，使背索不受力

2 安装主缆，调整分锚索力使主缆至空缆线形

3 加主缆索夹

4 DM1张拉到位 第1次张拉吊索

5 DM2张拉到位 第1次调整背索

6 DM3张拉到位 第2次张拉吊索

7 DM4、DM5张拉到位 第2次调整背索

8 调背索索力到理论值

9 DM6、DM7张拉到位

10 XXM3张拉至4675.5kN

11 XXM2张拉至4136.2kN

12 XXM4张拉至3727.8kN 第3次张拉吊索

13 XXM1张拉至4046.7kN 第4次张拉吊索

14 XXM5张拉至2837.1kN，再调整其余背索索力到理论值 第3次调整背索

15 DM8、DM9、DM10、DM11张拉到位

16 DM12、DM13、DM14、DM15张拉到位

17 XXM3张拉至6498.6kN

18 XXM2张拉至5754.5kN

19 XXM4张拉至5127.7kN 第5次张拉吊索

20 XXM1张拉至5536.8kN 第6次张拉吊索

21 XXM5张拉至3762.4kN，再调整其余背索索力达到理论值 第4次调整背索

22 DM16、DM17、DM18、DM19张拉到位

23 DM20、DM21、DM22、DM23张拉到位

24 XXM5张拉至4803.6kN

25 XXM4张拉至 5217.6kN

26 XXM3张拉至 5690.4kN 第7次张拉吊索

27 XXM2张拉至6080.9kN 第8次张拉吊索

28 XXM1张拉至5948.9kN 第9次张拉吊索

29 拆除临时支撑，悬索段独立成桥

将以上四种吊索张拉方案的施工过程中塔顶的水平变位绘制在同一图形中，得到副塔塔顶水平变位随施工阶段的变化规律如图5所示。由图5可见，不同吊索张拉方案中，副塔塔顶水平变位在施工过程中的变化和波动均较大，最大水平变位可以达到43mm。随着吊索张拉过程的发展，后期均逐渐回归至零值附近。

同理，将四种吊索张拉方案在施工过程中梁端散索套的竖向变位绘制在同一图形中，可以得到梁端散索套的竖向变位随不同施工阶段的变化规律如图6所示

图5各施工阶段副塔塔顶水平位移对比图6各施工阶段梁端散索套竖向位移对比

通过对以上四种吊索张拉方案的对比分析，可得如下结论：

（1）不同吊索张拉方案中，副塔塔顶水平变位在施工过程中的变化和波动均较大，最大水平变位可以达到43mm（方案二）；梁端散索套竖向位移在施工过程中的变化和波动也较大，最大竖向位移接近500mm（方案三）。随着吊索逐渐张拉完成，副塔水平变位和梁端散索套竖向位移逐渐回归至零值附近。

（2）根据结构抗力计算结果和控制要求，主要副塔水平位移控制在±50mm以内，均能满足吊索张拉方案的要求。因此，从副塔控制指标来看，以上四种吊索张拉方案均满足要求。

（3）相对于从中间向两侧张拉（方案二），从单侧张拉的方案（方案三）在施工过程中会有部分斜吊杆应力达到781MPa，大于2.5的安全系数，不满足吊索张拉方案的要求。

综合以上分析，确定方案二为推荐方案。

5、结论

通过对上述优化后的吊索张拉方案进行详细的计算与分析，可以得出以下结论：

（1）悬索段斜吊杆采用无应力索长的控制方法，一次张拉至理论值即可，不用多次重复张拉。

（2）在施工过程中，为了控制副塔的变形，采用对背索多次张拉的方案，能够显著减小副塔水平变位。

（3）在张拉过程中，斜吊杆的最不利受力状态发生在第20施工阶段，此时，XXM3张拉至 6555.23kN。斜吊杆最大应力σ=491MPa<[σ]=668 MPa，满足施工过程中的控制原则。

（4）斜吊杆张拉初期应力较大，随着张拉过程的进行，斜吊杆的受力逐渐优化，安全储备越来越大。

（5）副塔塔顶的水平变位最终控制在-45mm—+20mm之间，满足施工控制的原则和要求。

（6）在施工过程中，由于主梁采用满堂支架施工，所以受力合理，满足要求。主梁受力最不利阶段发生在拆除支架以后，混凝土加劲梁正截面最大压应力发生在锚跨跨中，此时最大压应力σ=7.7MPa＜[σ]=18.14 MPa, 最大拉应力出现在合拢接口处，σ=0.2MPa＜[σ]=1.48 MPa。钢混结合加劲梁处钢箱梁部分最大应力出现在混凝土主梁与钢混结合段交界处，σ=74.7MPa ＜[σ]=210 MPa，满足规范要求。

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