大跨度斜拉桥柔性拉索施工技术

张海龙

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 情况简介

大跨度斜拉桥的斜拉索一般采用高墩稀索布置体系，拉索多采用扇形布置的柔性拉索体系。关于柔性拉索的施工技术国内外研究成果丰富，文献资料较多［1-7］。其中柔性拉索的施工是斜拉桥施工的难点。准确的计算斜拉索的下料长度及相关参数，对于斜拉桥的设计、施工及索力的控制非常重要。此外柔性拉索合理的安装方法，也是保证柔性拉索快速准确施工的关键。本文结合多年的工作经验，推导了柔性拉索下料长度的一种新算法，阐述吊点法安装柔性拉索的关键。

2 柔性拉索下料长度计算

2.1 受力状态及其方程

建立如图1所示的直角坐标系，拉索的受力状态如图1所示。拉索单位长度重量为 w，并设B点的坐标为(a，h)。依据柔性拉索重力作用下各截面弯矩为零的条件，建立拉索的状态方程如下［5-6］。

图1 斜拉索受力状态

图2 斜拉索隔离体

取如图2所示隔离体。图1和图2中，N表示索力，V，H分别为索力的竖向分力和水平分力，w表示单位长度索重，θ为拉索切线角。柔性拉索在均匀竖向分布荷载作用下的形状方程由微分方程式积分得

斜拉索受力后的空中曲线长度S由积分得

式中C1为积分待定常数。由式(2)、式(3)得

则斜拉索相关状态参数为

式中，H为拉索水平力，NA为梁上锚固力，NB为塔上锚固力。以上各式中，C1、H是未知量。式(2)、式(4)、式(6)组成的四个独立方程中所含的 C1、H、S、NA和NB五个变量反映着拉索的状态，为拉索的状态变量。任意给出其中一个变量，即可求出其余变量。

2.2 下料长度计算

在斜拉桥拉索的施工中，精确的下料长度是保证索力符合设计的关键。文献［5］采用“相似算法”计算拉索的下料长度已得到广泛应用。依据拉索只受拉力的特点，可以推导柔性拉索一种新的快速计算方法。

2.2.1 下料长度理论计算

仍设拉索在点(x，y)上的弹性应变为ε，则由公式(5)得

则拉索的总伸长量为

式(7)、式(8)代入上式(9)得

则锚固时的无应力索长为

该下料长度未考虑温度、张拉锚固等因素的影响。

公式(12)均含拉索的未知状态变量H和C1。在斜拉桥施工，制作斜拉索时通常已知NA(梁上锚固)，求 C1、H、S、NB，或已知 NB(塔上锚固)，求 C1、H、S、NA。

以梁上锚固为例(NA已知)。此时，积分常数 C1由式(2)求出，即

由公式(2)得

由于斜拉索总有N3AH，显然 f(Z)为单调递增函数，故方程(14)有单根，可由二分算法求出Z，从而得出，并按照式(13)确定积分常数C1。

2.2.2 下料长度修正计算

公式(12)未考虑温度、施工等因素的影响。设拉索锚固时温度为 t，相应的索长为 SM。拉索加工时刻温度为t0，相应的索长为S0。设拉索的热膨胀系数为α。则考虑温度影响时，拉索长度为

计算出考虑温度影响后的索长，尚需考虑拉索两端锚具位置修正 ΔSm和拉索工作长度 ΔSz，对于拉索丝式锚具的拉索，最终的下料长度为

2.3 下料长度计算验证

以梁上锚固为例，取文献［5］的算例。已知 w=0.780 kN/m，a=50.325 m，h=40.768 m，NA=1 429.545 kN，EA=2.0×106kN，tM=t0=15℃。编制EXCEL计算程序，按文中所述计算方法，并设工作长度为1.6 m，求得受力索长S、拉索水平分力H及下料长度SM(不计锚具修正度)，计算结果比较如表1，结果表明本文的算法具有较好的精度。

表1 本文算法与相似算法计算结果比较

3 柔性拉索安装

3.1 放索和移索

目前大跨度斜拉桥拉索均采用工厂化制作，运至施工现场后，进行放索、移动索并安装。大跨度斜拉桥拉索较长，放索宜采用类似电缆盘的钢结构转盘，索盘立式或水平式放置，采用卷扬机徐徐牵引，进行放索。不宜采用捆扎运输，以避免损坏拉索防护外套。

拉索在桥梁上移动容易损坏防护外套。根据施工经验，滚筒法和移动小车法都容易造成拉索滑落混凝土桥面上，造成拉索防护外套损坏。斜拉桥的拉索一般直径小，自重轻，施工经验得出，最经济快捷的方法是垫层法。具体工艺要求是:

1)在桥梁顶面靠近索塔两侧设置拉索专用滑移通道，通道宽1.0～1.5 m;

2)通道内铺设3层麻袋或其他柔软垫层，垫层厚度不小于5 cm，并且随时更换拉索磨损的垫层;

3)通道两侧设置钢筋或钢管护栏，护栏外侧绑扎海绵或麻袋，避免拉索在牵引过程中滑出通道。

3.2 拉索安装

斜拉索的安装依据张拉端设于索塔还是梁部而定，如果张拉端设于索塔，先安装梁部，反之，先安装塔部。一般张拉端在塔部，故先在梁部安装锚固端，然后在塔部安装张拉端。由于斜拉索的索塔在施工时，都设置了大型塔吊，起吊拉力大，故不论是梁部安装，还是塔部安装，采用吊点法都是较为经济快捷方法。具体工艺如下所述:

1)梁部锚固端安装

首先在梁上放置转向滑轮，牵引绳从套筒中伸出。吊机将拉索起吊后，牵引绳将锚头逐渐拉入套筒，缓慢下落吊钩，直到锚头传入套筒，安装好固定端锚具。具体工艺见图3所示。

图3 吊点法安装梁部拉索锚固端

2)塔部张拉端安装

塔部安装的方法有分布牵引法、桁架床法和吊点法。结合塔吊采用吊点法的主要工艺是:

①在距离拉索端部2～3 m左右，安装专用的夹板(夹板内侧设置软层，防止损坏拉索防护套)，作为拉索起吊的吊点。拉索端部安装牵引绳，牵引绳另一端连接手拉葫芦;

②塔吊吊钩下落，用钢丝绳连接夹板和吊钩(注意钢丝绳的锁扣不少于2道);

③缓慢起吊，待即将对准锚孔时，将牵引绳拉入锚孔，调整吊钩，用手拉葫芦将拉索拉入锚孔，安装好锚具，准备张拉。具体工法见图4。

图4 吊点法安装索塔锚固端

4 结束语

大跨度斜拉桥柔性拉索的施工技术作为斜拉桥的施工难点，准确地计算下料长度和选择合理的安装方法，是保证斜拉桥结构受力符合设计的两个关键工序。本文给出的柔性拉索的下料长度的计算和拉索的安装工艺，通过实践可得出以下结论:

1)下料长度的计算，按照文中所给出的公式，较为简单和精确，算例也证明了公式的正确性;

2)拉索放索和移动采用设计的专用通道，简单经济，且能够保证拉索不受损坏;

3)利用斜拉桥索塔施工所设置的大型塔吊，不遵循传统文献所推荐的各类方法，梁部和索塔部位的拉索安装，均采用吊点法，较为经济快捷。

［1］姜军，蒲黔辉，勾红叶.大跨度独塔双索面斜拉桥静动载试验研究［J］.铁道建筑，2010(4):1-4.

［2］杜国华，姜林.斜拉桥合理索力及其施工张拉力［J］.桥梁建设，1989(2):11-17.

［3］程纬.斜拉桥柔性索线形分析及快速迭代计算方法［J］.公路，1998(6):8-11.

［4］张广寅.某斜塔斜拉桥状态评估试验研究［J］.铁道建筑，2010(11):20-22.

［5］李传习，夏桂云.大跨度桥梁结构计算理论［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［6］宋郁民.斜拉桥柔性拉索无应力索长的精确计算［J］.施工技术，2011(3):42-43.

［7］李自光.桥梁施工成套机械设备［M］.北京:人民交通出版社，2003.