自锚式悬索桥吊杆的受力控制研究

自锚式悬索桥吊杆的受力控制研究

田国昌康二川

（1.重庆交通大学，重庆，400074）

（2.昆明理工大学，云南，昆明，650500）

【摘要】自锚式悬索桥的施工一般为先梁后缆，这是一个由空缆状态慢慢到成桥状态的体系上的过渡。在这样的过渡转换过程中收受到很多方面的因素，致使吊杆无法一步张拉到位。并且在不加以调整的情况下结构误差会大大偏离容许值，因此对吊杆索力的优化调整是不可或缺的，本文就自瞄式悬索桥吊杆的张拉控制及其理论进行综合论述。

【关键词】自锚式悬索桥；吊杆；吊索；

1．自瞄式悬索桥结构概述

悬索桥以它外形上的美观和性能上跨越能力强、受力明确的特点，成为大跨径和特大跨径的桥型的首选。十九世纪下叶，自瞄式悬索桥首先运用于小跨度的桥型，之后取代早期的地锚式悬索桥得到广泛的应用。相较于地锚式，自瞄式悬索桥在受力方面，对于由钢筋混凝土材料制成的加劲梁，传递主缆的压力，会使其刚度增大，这样就可以节省预应力构造及其装置，使钢结构因受轴向力发生压屈的概率大大降低。因此它的适用范围更广泛，可建造在地质条件很恶劣的地方。目前悬索桥加劲梁的有三大结构形式，一是桁架式加劲梁，二是扁平流线型钢箱梁，第三种是基于前两种结构形式的混合式加劲梁。

自锚式悬索桥的建造历史虽然已经有很长的时间，但在实际的施工过程中，对于吊索的张拉还没有统一的方法，通常情况下，较多吊索桥都会以分批张拉的方法。自锚式悬索桥对于加劲梁的施工建筑要在支架上进行，因而可以以加劲梁的脱模状态和一期二期恒载作用下的状态作为分批张拉及其调整的重要依据，使其索力不偏离其设计值。

2．吊杆索力的优化调整理论

自锚式悬索桥属于超静定结构，结构中某个吊杆索力的变化会影响整座桥的结构内力，反过来说，调整偏差结构的状态也可以通过调节吊杆索力变化来完成。调整吊杆索力不仅可以防止梁、索出现的超应力情况的可能，而且有助于得到理想的成桥线形。

在自瞄式悬索桥的施工过程中，构件的自重和刚度、吊杆索力张拉误差等众多因素的作用下，结构的实际状态并不能达到理想状态的程度，不采取任何措施而使结构误差不超过合理值是很难做到的，如不采用吊杆索力调整法而期望结构误差小于某一合理容许值几乎是不可能的。因此对吊杆索力的优化调整是必不可少的。

2.1变形协调法和能量最小原理

针对自锚式悬索桥的结构整体分析，它有受力合理但结构复杂的特点，可以使用变形协调法以及能量最小法的综合方式。自锚式悬索桥的结构是由加劲梁和承重系相组合而成，其中对于行车道系的加劲梁的内力及其变形情况的表达采用收敛速度较快的正弦级数，而作为承重系的主缆就需要运用它位移影响的弱相干性原理，对于主缆的内力和变形情况运用精确解析法来表示。然后把限个吊索的拉力当作未知数，结合逐步逼近的方法对其进行求解。其中还需注意吊索的几何非线性影响，对此在每一次循环中调整吊索的刚度数据。实践证明，用这种综合的算法来确定桥梁的成桥吊杆张拉力的结果科学合理。

2.2理想吊索索力

理想吊索索力指的是自锚式悬索桥成桥后实际桥梁结构状态与设计的桥梁结构状态有十分完好的吻合，这种状态下，桥梁的加劲梁和主缆两者的线形与设计线形重合程度大，桥塔和加劲梁在恒载作用下的弯矩很小可忽略不计，同时索鞍也在设计位置上，这是一种十分理想的成桥状态。要想达到这种状态，除去结构自身的一些特性外，与结构的整体设计、结构的形状、尺寸、建筑材料以及施工方式也有很大的练习。完全达到理想状态几乎无法完成，但仍旧够找到一组能够使结构体系在恒载下结构的力学性能或者用料指标的目标函数达到最优的索力。也就是最合理索力。对于这个索力的求取，可通过刚性支撑连续梁法、最小弯曲能量法方法得到。

3．悬索桥吊杆受力破坏因素及其控制方法

悬索桥在风荷载或地震等自然灾害的作用下可能会发生破坏，在1940年，美国的塔科马老桥因为大风的作用导致其自身失稳破坏，目前虽然没有发生过悬索桥在地震中破坏的实例，但仍需有所防备。根据以往数据来看，绝大部分的悬索桥垮塌事故都是在施工建造过程中发生，因此，把握悬索桥吊索在施工过程中的受力问题显得尤为重要。

3.1自瞄式悬索桥施工中的张拉控制

诸多的非线性因素影响，导致吊杆的张拉施工变得十分复杂和困难，目前的吊杆的张拉施工并没有统一的方法，一般都是是借鉴具有类似性的斜拉桥等施工中吊杆的张拉方法，然而两者之间的受力和变形特点并不是完全一致，自锚式悬索桥的施工中主缆存在着较大的非线性。因此不能全全参照斜拉桥的张拉控制方法。

3.1.1悬索桥施工主梁脱模问题

悬索桥吊杆进行张拉过程中，解决主梁脱模的问题是很重要的。成功地拆除支架，现一般采用如下两类方法：

（1）主梁全部脱离支架

主梁每处都脱离支架，支架的支反力此时为零，支架和主梁之间没有空隙。因为支架不会给主梁提供力，所以支架在拆除时不会对整个结构产生不良作用。在实际过程中，这种理想状态在多方面的计算参数误差下很难实现。

（2）主梁部分脱离支架

主梁并非每处都是处于脱离支架的状态，并且支架和主梁之间会有一定的间隙，因为支架来支撑力很小，所以在强行拆除支架后，并不会威胁到结构的安全性。

3.1.2控制缆索的变形

另一方面，自锚式悬索桥的张拉吊杆过程是一个不断地给主缆增加荷载的过程，缆索会产生形变，沿轴的方向伸长。为了解决这两个因素给桥身带来的影响，我们需要对主索鞍进行控制和调整。主缆的变形会导致其产生一定的偏移。吊索的张拉过程中，主缆的位移有一定的规律可循，比如说主缆位移的弱相干性：全部吊杆直接锚固或依靠接长锚固于加劲梁上后，一次张拉吊杆中张拉点的主缆位移对非张拉点的主缆位移的影响十分的小，可以忽略不计。以上可以说明在张拉吊杆的过程中，悬索桥在张拉点的主缆发生比较大的位移，但位移量是人为可控的，其他点的主缆的位移十分的小，可以说是几乎没有位移，那么大对于绝大部分的张拉问题就可以用位移控制的方法来解决。同时为了防止塔底因受过大的弯矩导致损坏，需要调整塔顶处主索鞍的预偏量。平衡其产生的位移。

3.1.3调节主梁承受的弯矩

在吊杆的张拉过程中，主梁会产生弯矩，弯矩会随其张拉过程在不断的发生变化。改变程度取决于吊索张拉力的力度，要想保证主梁的安全性，就要控制吊杆的张拉过程，使主梁受到的弯矩不超过限制，而不会因为受到过大的弯矩而被破坏。

结束语：

悬索桥是目前世界上一种非常重要的桥梁结构形式，大跨悬索桥一般的投资巨大，对于建造地的社会经济十分重要。在自瞄式悬索桥的实际施工过程中，吊杆的实际无应力长度与理论值会产生一定的出入。如不严格控制，误差会进一步地积累，最后甚至可能导致成桥主缆线形和吊杆力的偏差。进而使桥梁的安全性能大打折扣。

参考文献：

[1]黄琼.钢—混凝土混合梁自锚式悬索桥受力性能与计算方法研究[D].中南大学,2007.

[2]陶庆东.大跨度自锚式悬索桥在地震作用下的链式破坏机理及动特性分析[D].重庆交通大学,2013.

作者简介：

康二川，男，昆明理工大学1989年1月出生，河南周口市人，硕士研究生，主要研究方向：道路与桥梁工程。