悬索桥主塔偏位误差控制方法探讨

杨秀刚

摘要 主塔作为悬索桥重要的承载结构，其施工质量直接决定悬索桥整体使用性能。主塔偏位严重影响主塔线形，降低结构承载性能和稳定性，因此加强主塔偏位误差控制尤为重要。鉴于此，文章系统探究了主塔偏位的具体原因，提出了有效的控制方法：在猫道改挂及缆载吊机安装完毕，在猫道上方设置配重，利用猫道、吊机及配重荷载联合作用，控制主塔顶部位移，确保偏位为0，从而有效控制猫道改挂、吊机安拆过程中造成的主塔偏位误差，并依托白帝城长江大桥工程实践，借助Midas Civil软件建立有限元分析模型，分别对无配重和有配重状态下桥梁主塔偏位情况实施模拟计算，充分验证了此方法的可行性和有效性。

关键词 公路桥梁项目；悬索桥；猫道改吊；主塔偏位控制

中图分类号 U448.25文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0078-03

0 引言

悬索桥具有结构灵活、跨越能力强、稳定性好、占用土地少等优点，在桥梁工程建设中得到了大规模应用。实际工程建设中，通常将主缆、主梁线形作为质量控制要点，而忽视对主塔线形的控制，从而导致大部分悬索桥建成后存在主塔偏位过大的情形，严重影响主塔承载性能。为此，该文系统探究了主塔偏位误差控制方法，对提升主塔偏位控制水平，保证悬索桥建设质量具有重要意义[1]。

1 主塔偏位成因分析

受悬索桥主缆位移效应影响，主缆、索夹、吊索施工完成后，在进行加劲梁安装前，通常将猫道改挂至主索之上。猫道改挂后，其自身重力荷载及上部施加的所有外部荷载均可看作主缆承受的竖向荷载。缆载吊机作为加劲梁吊装的主要设备，其吨位较大，且重力荷载较为集中，在进行加劲梁安装过程中，缆载吊机重力荷载也可看作主缆承受的竖向荷载[2]。

根据悬索桥设计实际情况，在忽略猫道改挂及吊机荷载作用条件下，大桥在空缆状态下主塔顶部不平衡水平力及偏位全部为0。实际施工时，当猫道改挂于主缆之上，主缆承受猫道和吊机重力荷载作用，造成中边跨受力不均衡，便会在主塔顶部形成不平衡水平力。大桥空缆状态时，假设主塔在猫道改挂及吊机重力荷载影响下产生的不平衡水平力为F，主塔抗推刚度为K，主塔顶部偏位为ΔL，则ΔL=F/K，具体如图1所示。

悬索桥成桥工况下，主缆张拉力、几何刚度远远超过空缆工况下的张拉力与几何刚度，主塔抗推刚度K′产生显著变化。在主缆及主塔保持不变的条件下，对南塔、北塔分别施加100 kN向跨中的水平力，空缆工况下，南塔、北塔位移依次为0.005 m和0.013 m；而成桥工况下，南塔、北塔位移均为0.001 m，充分表明大桥在空缆及成桥工况下主塔抗推刚度存在显著差异，即：K′≠K。

大桥由空缆至成桥阶段，主缆竖向高程变化较大。其中，空缆及成桥工况下猫道及吊机荷载对主塔顶部产生的总弯矩如表1所示。

通过表1能够看出：①北塔在空缆与成桥工况下总弯矩之差为319.28 kN·m，主塔高度175.2 m，二者之间的比值为1.822 kN，即为北塔在空缆与成桥工况下不平衡水平力之差；②南塔在空缆与成桥工况下总弯矩之差为230.19 kN·m，主塔高度144.3 m，二者之间的比值为1.595 kN，即为南塔在空缆与成桥工况下不平衡水平力之差。由此可知，悬索桥在猫道、吊机荷载共同作用下对主塔顶部产生的不平衡水平力F′与空缆工况下产生的不平衡水平力F基本相等，即F′ ≈F。

根据上述分析结论，悬索桥成桥状态下，猫道、吊机拆除阶段，可视为主塔顶部产生等大反向的反作用力?F′，该条件下形成的主塔偏位为ΔL′=F′/K′，详细情况如图2所示；因|F′|≈|F|，K′≠K，因此|ΔL|≠|ΔL′|，主塔无法徹底恢复原位，其偏位误差f=|ΔL|?|ΔL′|。由此可知，悬索桥成桥工况下猫道和吊机安拆是导致主塔产生偏位误差的根本原因。

2 主塔成桥偏位误差控制方法

通过上述分析可知，悬索桥成桥工况下猫道改挂、拆除及吊机安拆均会导致主塔产生偏位误差，为实现对此误差的有效控制，提出了具体的控制方法。基本原理如下：在猫道改挂及吊机安装完毕后，在猫道上方设置配重，利用猫道、吊机及配重荷载联合作用，控制主塔顶部位移，使其不平衡水平力及偏位归0，从而有效控制猫道改挂、吊机安拆过程中造成的主塔偏位误差，确保主塔成桥工况下偏位误差满足规范及设计要求，切实保障桥梁整体建设质量。详细施工流程如下：

（1）借助有限元分析模型，对空缆工况下主塔偏位情况实施模拟分析，按照实际计算重量，科学选择性能优良的配重设施，并结合配置理论重量实施分段逐级加载[3-4]。

（2）施工期间应对主塔顶部偏位实施监测，主要监测项目包括：①主缆安装完毕，测出空缆条件下主塔偏位量，记作L₀；②猫道改挂、吊机安装完成后，测出该条件下的主塔偏位，记作L₁；③跟踪监测各级加载工况下的主塔偏位，分别记作L₂，L₃，…，L_i；④配重完全加载后，测出主塔偏位，保证该条件下偏位符合L_i=L₀。

（3）悬索桥建设完毕，在进行猫道拆除时，应缓慢移动吊机至跨中部位，然后依次卸载配重、吊机，最后逐步拆除猫道。

3 实例计算

3.1 无配重主塔偏位

为有效验证上述主塔成桥偏位误差控制方法的有效性和可行性，选取白帝城长江大桥施工实践，并建立有限元模型进行模拟分析。白帝城长江大桥为北边跨188 m+主跨918 m+南边跨317 m的加劲钢箱梁悬索桥，详细步骤如下：

（1）借助Midas Civil系统构建空缆工况下的有限元分析模型。通过模拟计算得到空缆条件下南、北塔顶部偏位依次为0.013 m、?0.005 m。

（2）将猫道改挂及吊机荷载视为集中荷载，并采用等效荷载模拟分析空缆工况下主塔偏位情况，加载示意图如图3所示。主塔偏位情况如表2所示。

（3）利用Midas Civil系统构建成桥工况下的有限元分析模型[5-6]。安装索鞍后，施加与猫道改挂及吊机荷载等大反向的荷载作用，对成桥工况下猫道、吊机拆除后主塔偏位进行模拟分析，得出详细数据如表3所示。

通过表2～3能够看出：①大桥空缆工况下索鞍加固后主塔偏位为初始状态，猫道改挂机吊机安装后，北塔向中跨偏移0.094 m；②成桥工况下撤除猫道、吊机后，南、北塔依次向边跨偏移0.015 m和0.026 m。按照上文所述，猫道及吊机安装、拆除全过程，南、北塔总偏移量依次为0.079 m和0.040 m，两塔未彻底恢复原位。

3.2 配重后主塔偏位

从表2能够看出：相较于初始状态，南、北塔依次向中跨偏移0.094 m和0.024 m。配重加载模拟步骤如下：

（1）利用Midas Civil系统构建空缆工况下的有限元分析模型，在与主塔偏位对向主缆上方施加配重荷载，如图4所示。

（2）模拟计算主塔偏位数值，并与空缆条件下主塔偏位初始值进行对比，若二者较为接近，证明满足要求[7]。若偏差较大，则增加配重荷载，直至计算结果接近初始值。通过模拟计算，最终在北塔向中跨方向接近主塔106.5 m区域内主缆上方加载238 kN，在南塔边跨方向接近主塔177.5 m区域内主缆上方加载880 kN。该条件下主塔偏位情况如表4所示。

（3）建立成桥工况下有限元分析模型，施加等大反向配重荷载，模拟分析卸除配重、猫道、吊机荷载后的主塔偏位情况，具体结果如表5所示。

通过表4、表5能够看出：①空缆工况下，同时施加猫道、吊机、配重荷载作用，主塔偏移为0；②成桥工况下，同步卸除猫道、吊机、配重荷载，南、北塔分别向边跨偏移0.013 m和0.028 m。使用配重与不使用配重条件下，大桥成桥工况时的主塔偏移情况如表6所示。

通过表6能够看出，通过设置配重成桥后南、北塔偏移量分别减小0.066 m和0.012 m，充分表明采用此方法对悬索桥成桥后主塔偏位误差实施控制，具有较强的可行性[8]。

4 结论

综上所述，为有效控制悬索桥主塔偏位误差，保证主塔线形及稳定性，该文全面探究了悬索桥主塔偏位的具体原因，并提出了科学有效的控制方法。详细结论如下：

空缆工况下猫道改挂、吊机安装与成桥工况下猫道、吊机卸载时，主塔刚度变化较大，造成主塔难以彻底复位，从而导致成桥过程中主塔产生偏位。

猫道改挂及缆载吊机安装完毕后，在猫道上方設置配重，利用猫道、吊机及配重荷载联合作用，控制主塔顶部位移，确保偏位为0，从而有效控制猫道改挂、吊机安拆过程中造成的主塔偏位误差，并借助有限元分析模型，对无配重和有配重状态下，桥梁主塔偏位情况实施模拟计算，充分验证了此方法的可行性。

参考文献

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