1、4 2 世界 桥 梁 2 0 1 4, 4 2 ( 2 ) 混凝土 自锚 式悬索桥 吊索张拉优化研 究 乔 朋 , 狄谨 ( 1 长安 大学建 筑 工程 学院 , 陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ; 2 长安 大学公 路 学院 , 陕 西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 : 广两钦州 于材大桥为跨径 布置 ( 6 5 +1 5 8 +6 5 )m 的双塔三跨混凝土 自锚式悬 索桥 , 采 用先梁后缆 法施工 。为保证施 丁 过程 中的安全性和经济性 , 采用“ 相邻索 同步张拉 的依次张拉法 ” , 提 主跨 吊索从 塔柱 向跨 中张拉 和从跨 中向塔 柱张拉 2 种 方案 。建
2、立非 线性 有限元模型 , 对体 系转换过程 中 吊索 、 主 梁、 桥 塔 的内力和变 形进行 分析 , 并根 据张拉批 次 、 接长 杆数量 和长度 、 千斤顶数量及 鞍座顶推 次数 等进 行经济性 比选 分析 , 确定 适合该 桥的体 系转换 施T方 案。研究 结果表 明 : 主跨 吊索 选 择从跨中向塔柱依次张拉 的方案 , 在不增加施丁千斤顶 数量 的前 提下 , 避免 了全桥 吊索分 级多 次张拉 带来 的不便 , 提高 了 体 系转换施T效率 。体系转换完成后桥梁 的线形和 内力均满 足要求 , 张拉方案 的实 际应用效果 良好。 关 键 词 :自锚 式 悬 索桥 ; 混 凝 土
3、 结构 ; 体 系转 换 ; 吊 索 张拉 ; 方 案 优 化 中图分类号 : U4 4 8 2 5 ; U4 4 3 3 8 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 l 4 ) 0 2 0 0 4 2 0 5 1 前 言 自锚 式悬 索桥 施工 时 一般采 用“ 先梁 后缆 ” 的施 工顺 序 , 即先 架设 加 劲 梁 , 然 后 架 设 主缆 , 再 安装 张 拉吊索实现体 系转换l 。根据无应力状 态控制理 论 , 当 成桥状 态 确定 时 , 各 构件 的无 应力 长度 和 曲率 为确 定 值 , 其 中吊索 的无应 力长 度也 是确 定 的 ;
4、 反 过 来 , 只要 体 系转换 过 程 中保 证 吊索 按 照无 应 力 长 度 安 装 , 不管 张拉顺 序 如 何 都 可 以达 到最 终 的成 桥 目 标 状态 j 。但 是 , 受 张 拉 设 备 承 载 力 和 T 作 空 间 限制 , 同 时考虑 结构 局部 受力 的安 全性 , 很难 采 用所 有 吊索一次张拉到位的施T方法 。因此 , 为保证主 梁 、 塔 柱 、 吊索 内力 不 超 限 , 必 须 确 定 吊索 的合 理 张 拉 顺 序 和张拉 力 , 制 定 满 足施 丁和 设 计 要 求 的最 优 化方 案 。 国 内学 者依托 实 际T 程对 自锚 式悬 索桥 的体
5、 系 转换 展 开研究 , 提 出 了各 种 吊索 张 拉方 案 。绝 大 多 数采 用 的是全 桥 吊索 “ 分级 多次 张 拉 ” 的方 案 , 如 湖 州 市飞 凤桥 主桥 分 3次 全部 张 拉 到 位 , 其 中跨 中附 近 9对 吊索 需要 3轮 反 复 张拉 调 整 3 ; 成 都 清 水 河 自锚 式 悬索 桥 的 吊索 从塔 根部 向梁 端分 4轮 张拉 到 位 , 其 中 1 6对 吊索 需 要 4轮反 复 张 拉 调 整 J ; 万 新 大桥 的全桥 吊索 分 4轮 张拉 , 优 化 后 的接 长 杆 数 量 为 3 O 根 J ; 天津 富 民桥主 桥 的全部 吊索 分
6、 3轮 张拉 调 整可 完 成体 系转换 j ; 而 主跨 为 3 5 0 m、 采 用钢 箱 主梁 的佛 山市 平胜 大 桥 选 择 的 张拉 方 案 略 有 不 同 , 吊索从塔根部向梁端依次进行张拉, 且每根 吊索张 拉 次数不 超 过 3次 【 。与 分 批 次 、 多 轮 张 拉 的方 案 相 比, 平 胜大 桥 的 吊索 张拉 过程 需 要 千 斤 顶 和 接 长 杆 的数量 较 少 , 相 对更 便 于施工 , 但 这种 方案 是否 适 合混凝土主梁的自锚式悬索桥有待研究 。本文以广 西钦 州 子材 大桥 一双塔 三跨 混凝 土 自锚式 悬 索桥 为例 , 建立 非线性 有 限元
7、模 型 对体 系转 换 过 程 中 的 吊索 张拉方 案进 行优 化研 究 。 2 工程概 况 子材 大 桥 主桥 为塔 梁 分离 、 半飘 浮 体 系 的 混凝 土 自锚 式 悬索 桥 , 跨 径 布置 为 ( 6 5 +l 5 8 + 6 5 )m, 吊 索 间距 为 6 I n , 桥塔 为矩 形截 面 的双 柱 型塔 , 主跨 及 边跨 为悬 吊结 构 , 主 梁 采用 预 应 力 混 凝 土 双 边 主 箱 梁 断面 和 单 箱 多 室 箱 体 断 面 , 中 跨 设 计 矢 跨 比 为 1 6 , 标 准梁 高 2 2 4 m, 顶 宽 3 5 5 m。子 材 大 桥 总 体 布置
8、示 意 如 图 1所示 。 主 桥 采用 先 梁 后 缆 的施 工 工 序 : 先 进行 混凝 土 桥 塔和 预应 力混 凝 土 箱梁 的施 工 , 然后 进 行 索 鞍 定 位 和 主缆架 设 , 最 后 安 装 索 夹 并 进 行全 桥 吊索 张 拉 施 工 , 完成 体系 转换 达到 成桥 状态 。 3吊索 张拉控 制 原则 确定 吊索 张拉 方 案 时 , 不 仅 要 考虑 结 构 内力 的 安全性 要 求 , 还 应兼 顾 施 T 方 案 的 经 济性 。根 据 混 收稿 日期 : 2 0 l 3 0 9 0 5 作者简 介: 乔 朋 ( 1 9 8 2 ) , 男 , 讲师 , 2
9、 0 0 3年毕业于长安大学桥梁工程 号业 , 1 学学士, 2 0 0 6年毕业 于长安大学桥梁与隧道丁程 业 ,【 学硕 士, 2 0 0 9年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业 , 工学博士( E ma il : q ia o p e n g c h d e d u c n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土 自锚式悬索桥 吊索张拉优化研 究 乔朋 , 狄谨 4 3 西侧 东侧 中跨跨中中心线 图 1 子材大桥总体布置示意 凝土 自锚式悬索桥 的特点 , 对 吊索张拉方案进行 比 选 时应 遵 守 以下 基本 原则 q : 成 桥 阶 段 吊索
10、索力 均匀 ; 体 系转换 过 程 中 , 主 梁 、 塔 柱 的应 力 和 吊索索 力不能超限; 千斤顶的数量少 , 吊索张拉力满足最大 吨位要 求 ; 接长 杆数 量少 、 长 度短 ; 张 拉工序 少 、 施丁 工 期短 。 根 据 施 工单 位具 体 要求 , 在 确定 该 桥 吊索 张拉 方 案 时要 求 : 张拉 千 斤 顶 吨位 不 大 于 4 0 0 t ; 在满 足 吊索、 梁塔受力合理的前 提下 , 使接长杆数量最少 、 长 度较 短 、 张拉 工序 最少 。 4 吊索张 拉方 案 比选 由空 缆 施 丁T 况 下 结 构有 限元 分 析结 果 可 知 , 在 主缆 索股
11、完成 安 装 定 位 后 , 边 跨 所 有 吊索 不需 要 接 长 , 吊索 就可 以直 接完 成“ 戴 帽 ” 。因此 , 确 定 吊索 张 拉总 体方 案为 : 先 使边 跨所 有 吊索都 达到 “ 安 装戴 帽状 态 - E 3 , 然后 对 中跨 吊索进 行 逐 步 张拉 , 最终 使 主梁脱离竖 向支承 , 完成体系转换 。由此 , 该桥 吊索 张拉方案主要集 中在 中跨 吊索张拉顺序和张拉力 的 确定 。另外 , 由于全 桥 吊索 “ 分 级 多 次 张 拉 ” 的方 案 所需接长杆数量较多l g , 不满 足具体施 工要求 , 亦不 作 为 比选方 案 进 行 比较 。结 合
12、该 桥 特 点 , 中跨 吊索 采用 “ 相 邻 索 同步 张 拉 的 依 次 张拉 方 法 ” , 提 出 从塔 柱 向跨 中依 次对 称张 拉 ( 方案 一 ) 和从跨 中向塔 柱依 次 对称 张拉 ( 方 案二 ) 的 2种方 案进 行 比选 。 4 1 吊索张 拉具 体工 序 在体系转换过程中, 所有 吊索施工张拉力应满 足千斤顶承载力要求, 且各阶段吊索索力保证有足 够 的安全 系 数 。 因此 , 结 合 4 0 0 t 千 斤 顶 的 吨 位 要 求 和 2倍 安全 系数 的索 力 要 求 , 在 设 计 吊索 张 拉具 体 工 序 时 , 所 有 吊 索 的 索 力 不 超 过
13、 3 8 0 0 k N。同 时, 为确保各施工阶段主梁和塔柱应力满足承载力 要求 , 对 吊索张拉和鞍座顶推方案进行 了多次调整 和理 论分 析 。分析 结果 如下 。 ( 1 )方 案一 : 中跨 吊 索从 塔 柱 向跨 中依 次对 称 位 :m 张拉 。其 中, M1 M7吊索张拉力较小 , 均可根据 无应 力 长度一 次 张拉 到位 , 其 它 吊索 一 次 张 拉 到位 时 的对应 张拉 力 均大 于 4 0 0 0 k N, 故 可采 用 同时张 拉相邻吊索使张拉力减小 。该方案 M8 M1 3吊索 张拉 时 , 需 同时张 拉 相邻 另 外 2根 吊索 才 能满 足 索 力要 求
14、 。 ( 2 )方案 二 : 中跨 吊索 从 跨 中 向塔 柱 依 次 对 称 张拉 。其 中, M1 3 M1 0吊索 可 一 次 张 拉 到 位 , M9 M1吊索张拉时, 需同时张拉相邻 另外 1根 吊 索才能满足索力要求。 最 终 确定 的 2种方 案 的 吊索 张拉具 体工 序 如表 1所 示 。 4 2 吊索张拉方案优化分析 根据 2种 吊索张拉方案分别建立非线性有限元 理论模型 , 进行施工过程仿真分析 , 并将成桥 阶段 吊 索索力 、 施工过程中吊索最不利索力以及主梁、 塔底 最不利 应 力进行 对 比分 析 , 结 果如 图 2 4 所 示 。 S 7 S 5 S 3 S
15、1 M l M 3 M 5 M 7 M 9 M l 1 M 1 3 吊索 编号 图 2成 桥 阶段 吊 索 索 力对 比 S 7 S 5 S 3 S l M】 M 3 M 5 M7 M 9 M1 】 Ml 3 吊索编号 图 3施工过程中吊索索力最大值 一 3 2 1 O 童 瓣碾 4 3 2 l O 茧 艇、鲞畦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 世 界 桥 梁 2 0 1 4, 4 2 ( 2 ) = * 嘣 避 按 工序 编号 ( a )塔底最 不利应力 日 皇 _K + H T序 编号 ( b ) 主梁最大应力 时 皇 0 2 4 6 8 1 O 1
16、 2 1 4 1 6 1 8 工序 编号 ( C ) 主梁最小应 力 图 4各 工 序 主 梁 、 塔 柱 应 力 变 化 从 图 2中可看 出, 2个方案成桥 阶段的全桥 吊 安全性要求 。 索 索力基 本 一致 , 且 非 常 均 匀 , 在 2 2 0 0 2 4 0 0 k N 通 过对 比吊索张 拉批 次 、 接长 杆数 量和 长度 、 千 之间, 安全系数大于 3 0 , 吊索内力满足均匀性和安 斤顶数量等参数对吊索张拉方案的经济性进行综合 全 性要求 。从 图 3中可看 出 , 在施 工过 程 中 , 方案 一 比选 , 吊索 张拉 方案 经济 性 比选 如表 2所示 。 的吊索
17、索力最大值为 3 6 1 0 k N, 大于方案二 的最大 由表 2可 看出, 2 个方案鞍座顶推次数相同、 吊 值 3 0 0 0 k N, 但 吊索索力 的安全系数均大于 2 0 , 施 工 过 程 中 吊索 内力 均 满 足要 求 。从 图 4可 看 出 , 2 种 方 案桥塔 和 主梁 的最不 利应 力 变化 略有 不 同但 比 较 接 近 , 且 最大 拉应 力为 1 4 MP a 0 8 f , 最 大 压 应 力 为 9 5 MP a 0 7 f , 满 足施 _T过 程 中结 构 的 表 2 吊索张拉方案经济性 比选 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o
18、m 混凝土 自锚 式悬索桥吊索张拉优化研究 乔朋 , 狄 谨 4 5 索张拉总批次相当, 方案二的接长杆数量和长度 、 千 斤 顶 数量 均较 少 , 方 案一 的吊索最 大 张拉力 则 较低 。 由于 2个方案的结构 内力均满足安全性要求 , 最后 实际施工时选择方案二进行 中跨 吊索张拉 , 并最终 顺 利 完成体 系 转换 。 5 结 语 对 于 自锚式 悬 索 桥 , 不 同体 系转 换 方 案 均可 达 到相 同 的 目标 成桥 状 态 , 首 先 应 根 据 结 构 安全 性 要 求 提 出可供 选 择 的方 案 , 然 后 在 施 工 经 济 性 比选 的 基础上, 需结合具体施
19、工要求和条件选 择最合适 的 吊索 张拉方 案 。广 西钦 州子 材大 桥采 用从 跨 中 向塔 柱 的“ 相邻索同步张拉 的依次张拉方案” , 每根吊索 张拉 不超 过 2次 , 全 桥 吊索 只张 拉 1轮 且 每 次 张拉 相邻 吊索 , 施 工 千斤 顶数 量 、 接 长杆 长度 和数 量 均较 少 , 避 免 了 吊索 分级 多次 张 拉 时 千 斤顶 和接 长 杆 多 次装卸带来 的不便, 提高了体系转换施工效率。体 系转换 完成 后 , 主梁 和 主缆 线形 误 差 基本 控 制 在 3 O mm以内, 桥 塔和 主梁 受力合理 , 全 桥 吊索 内力均 匀 , 张 拉方 案 的
20、实 际应用 效果 良好 。 参 考 文 献 : 1 胡 建华 现代 自锚式 悬索桥 理论 与应 用 M 北京 : 人 民交通出版辛 t , 2 0 0 8 2 谭 冬莲大跨径 自锚 式悬 索 桥合 理成 桥状 态研 究 E J 中国公路学报 , 2 0 0 5 , 1 8 ( 2 ) : 5 1 5 5 3 王勇 , 王鹏一座混 凝土 自锚 式悬 索桥 吊杆张拉控 制技术 J 世界桥梁 , 2 0 0 8 , ( S 1 ) : 6 8 6 9 , 8 6 4 樊燕燕 , 李子奇成都清 水河 自锚 式悬索 桥 吊索张拉力 误差对成 桥 索 力 的影 响研 究 J 城 市 道 桥 与 防 洪 ,
21、 2 O 1 0, ( 6 ) : 1 2 2 一 I 2 4 5 邱文亮 , 张哲自锚式 悬索 桥施 工 中吊索张 拉方法 研 究 J 大连理工大学学报 , 2 0 0 7 , 4 7 ( 4 ) : 5 2 5 5 5 5 6 卢 士鹏 , 王振峰 , 韩振勇单塔空 间索面 自锚式悬索桥悬 吊结构安装与体系转换 E J 桥梁 建设 , 2 0 0 8 , ( 5 ) : 5 3 5 6 7 张启桥 , 王海峰平胜大 桥 自锚式 悬索桥 体系转换 施工 技术E J 桥梁建设 , 2 0 0 6 , ( S 1 ) : 4 5 4 7 E 8 胡建华 , 唐茂林 , 崔建 峰 , 等 自锚 式
22、悬索 桥恒 载 吊索力 的设计方法研究 J 桥 梁建设 , 2 0 0 7 , ( 2 ) : 3 9 4 2 9 张俊平 , 黄海云 , 刘爱荣 , 等 自锚 式悬索 桥体 系转换过 程非线性行为 与施工 控制方 法 的试验 研究 L J 工 程力 学 , 2 0 0 9 , 2 6 ( S 2 ) : 1 6 01 6 7 1 O 唐启 , 李传习 , 柯 红军独塔 双跨空 间索面 自锚 式悬 索桥体 系转换方案 确定 J 公 路交通 技术 , 2 0 1 0 ( 1 ) : 73 77 1 1 张建 东 , 赏锦 国, 黄元群自锚式 悬索桥 吊杆安装 及体 系转换新 技术 J 公路 ,
23、2 0 1 0 , ( 5 ) : 7 1 1 1 2 邢智自锚式悬 索桥 吊索张拉过程优化分析( 硕 士学 位论文) D 西安 : 长安 大学 , 2 0 0 9 1 3 邱建冬自锚式悬索桥 吊索 张拉优化控制 分析 ( 硕士学 位论文) DJ 重庆 : 重庆交通大学 , 2 0 1 0 S t u d y o f Ha n g e r Ca b l e Te n s i o ni ng Opt i m i z a t i o n f o r S e l f - An c h o r e d Co n c r e t e S u s p e n s i o n Br i d g e Q I
24、A OP e n g , DI J i n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Ch a n g a n Un i v e r s i t y,Xi a n 7 1 0 0 6 1 ,Ch i n a ;2 S c h o o l o f Hi g h wa y,Ch a n g a n Un i v e r s i t y ,xi a n 7 1 0 0 6 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Th e Z i c a i B r i d g e i n Qi n z h o u c i t y,Gu a
25、n g x i Pr o v i n c e ,i s a ( 6 5 + 1 5 8+ 6 5 )m t h r e e s p a n s e l f a nc hor e d c o nc r e t e s us pe ns i o n br i d ge wi t h t wo t o we r s Dur i ng t he c o ns t r uc t i o n p r oc e s s, t he s t i f f e n i ng g i r de r W3 S e r e c t e d a he a d o f t he i ns t a l l a t i o n
26、 of t h e m a i n c a bl e s To e n s u r e t he s a f e t y a n d e c o n o my o f t h e b r i d g e c o n s t r u c t i o n,t h e s e q u e n t i a l t e n s i o n i n g me t h o d,b y wh i c h t h e a d j a c e n t h a nge r c ab l e s we r e t e ns i o ne d i n p a r a l l e l , wa s a d op t e
27、d The t wo s c h e m e s o f t e ns i on i ng t he ma i n s pa n ha nge r c a b l e s r e s p e c t i v e l y f r o m t h e t wo t owe r s t o wa r d s t he m i d s p a n a nd f r o m t he mi d s p a n t o wa r ds t he t o we r s we r e pr o p os e d The n on l i n e a r f i ni t e e l e me n t mod
28、e l o f t h e br i dg e wa s e s t a b l i s h e d t o a na l y z e t he i nt e r n a l f o r c e s a n d de f o r m a t i o n o f t he h a ng e r c a b l e s,ma i n g i r de r a n d t o we r s d ur i n g t h e s ys t e m t r a ns f or ma t i o n pr o c e s s M o r e o v e r ,t he c on t r a s t i v
29、 e a n a l y s i s o f t he e c on omy o f t h e t wo s c he m e s wa s c a r r i e d ou t t a ki ng i nt o a c c o un t of t h e t e n s i on i ng ba t c h,t he a m o un t a nd t he l e n gt h of t h e l e n g t h e n i n g p i e c e s ,t h e n u mb e r o f t h e j a c k s u s e d a n d t h e t i m
30、e s o f i n c r e me n t a l l a u n c h i n g d o n e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 46 世 界 桥 梁 2 0 1 4, 4 2 ( 2 ) f o r t he s a d dl e s ,a nd b as e d o n t h e a n a l ys i s r e s u l t s,t he c o ns t r u c t i o n s c he m e whi c h wa s f a v o r a b l e f or t he s ys t e m t r a n s f o
31、r ma t i on of t h e br i d ge was de t e r mi ne d The r e s ul t s of t h e s t u dy de m o ns t r a t e d t ha t whe n t h e ma i n s p a n h a ng e r c a b l e s we r e t e ns i on e d by a s e qu e n c e f r o m t h e mi ds pa n t o wa r d s t h e t o we r s,t he i n c o nv e n i e nc e c a us
32、e d by t he p ha s e d i n a nd m u l t i p l e t i me s of h a n ge r c a bl e t e ns i o ni n g o f t h e wh o l e b r i d g e wa s a v o i d e d o n t h e p r e mi s e t h a t n o e x t r a j a c k s wo u l d b e a d d e d d u r i n g t h e c o n s t r u c t i on p r oc e s s,a n d t he e f f i c
33、 i e nc y o f s y s t e m t r a ns f o r m a t i o n c o ns t r uc t i o n wa s i m p r ov e d Af t e r t h e s y s t e m t r a ns f o r ma t i o n,t he g e o me t r y a n d i nt e r na l f or c e of t h e br i d ge me t t he r e q u i r e me nt s, a nd t h e e f f e c t o f t he p r a c t i c a l a
34、 p pl i c a t i o n of t he t e n s i o n i ng s c he m e wa s s o un d Ke y wo r d s: s e l f a nc h o r e d s u s p e n s i o n br i d ge ; c on c r e t e s t r u c t u r e; s ys t e m t r a ns f o r m a t i o n; h a ng e r c a bl e t e ns i o ni n g;s c h e me op t i mi z a t i on ( 编辑 : 陈雷 ) ,m,
35、ml,ml,m ,m,m, ,m 2 1 b,lm, m,m, m,l,ml mm, 欢迎订阅2 0 1 4年度 桥 梁建 设 桥 梁建 设 是中国科技论文统计源期刊、 中文核心期刊、 中国科学引文数据库来源期刊、 中国学术期 刊综合评价数据库统计源期刊、 中国核心期刊( 遴选) 数据库收录期 刊、 中国学术期刊( 光盘版) 人编期刊、 中 国科技期刊网入网期刊、 万方数据数字化期刊群收录期刊、 中文科技期刊数据库收录期 刊、 百种 中国杰 出学 术期刊 、 C A J C D规范 执行优秀期刊 、 美 国 工程索引 ( E i C o mp e n d e x ) 收 录期刊 、 波兰 哥
36、白尼索 引 ( I C ) 收录期刊、 美 国 剑桥科学文摘 ( C S A) 收录期刊、 俄罗斯 文摘杂志 ( AJ , VI NI T I ) 收录期刊。 桥 梁建 设 国际标准连续出版物号 I S S N 1 0 0 3 4 7 2 2 , 国内统一连续出版物号 C N 4 2 1 1 9 1 u, 邮发 代号 3 8 5 4 。 桥 梁建 设 为双月刊( 双月 2 8日出版) , 大 1 6 开本( 1 2 0 页) , 每册定价 1 5 0 0元 全年定价 9 O 0 0元 。 全 国各 地邮 局订 阅 , 编 辑部 亦可 办理 邮购 。 桥 梁建设 持有广告经营许可证, 代办设计, 收费合理, 时效持久, 欢迎洽谈。 编 辑部 地址 : 武汉 市建 设 大道 1 0 3 号 电话 : ( 0 2 7 ) 8 3 5 1 9 5 0 6 ( 编 辑部 ) , 8 3 5 5 0 0 8 1 ( 广 告部 ) E ma i l : q l k x y i s p u b l i c wh h b c n q l j s z t mb e c c o rn 邮编 : 4 3 0 0 3 4 传真 : ( 0 2 7 ) 8 3 3 6 0 0 0 5 桥 梁 建 2O 1 4 设 编辑 部 年 3月 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m