工程缆风索的设计及张拉要点

工程缆风索的设计及张拉要点一、概述：缆风索在工程施工中的应用非常广泛，例如在各种拱桥（桁架拱桥、肋拱桥、刚架拱桥、系杆拱桥）的无支架施工及拆除过程中，均必须使用缆风索。缆风索在桥梁施工中主要有以下三大作用：1、维护拱肋施工中的横向稳定。2、拱肋安装轴线偏离设计位置时，需要依靠缆风索进行纠偏，使拱肋能安装在设计轴线上。3、使拱肋能够承受安装期的风荷载作用。然而长期使用缆风索的经验告诉我们，缆风索使用少了，固然不足以满足拱肋稳定性的需要（在早期双曲拱桥的无支架施工中，曾多次出现因拱肋横向失稳而造成重大工程事故），但后来因吸取失稳教训而又多用了缆风索。虽然多用缆风索增加了拱肋的横向稳定性，却也因此给安装制造了障碍，甚至给航运安全带来风险，由此说明缆风索数量的多少意义很重要，因此必须通过定量分析来确定合适的数量。但遗憾的是讫今为止，还未见过任何现成的资料可依。笔者在经过多年实践及深入学习基础理论的基础上，总结出了缆风索保证拱肋横向稳定的计算方法，供同行们参考。今以新虹桥拱肋安装为背景，说明缆风索数量的计算方法和步骤。二、新虹桥概况及安装简介新虹桥是一座系杆拱桥，建于无锡区段的京杭运河上，计算跨径为60米，桥梁总宽11米另加两侧各外挑1米的人行道，主拱肋矢高12.5米，矢跨比，荷载标准为汽车-20、挂车-100的双车道公路桥。该桥施工的关键是要将主拱肋、系梁、吊杆及横梁构筑成一稳定的空间骨架，在这个基础上再按常规方法进行桥面系的施工。设计时为缩短航道上空的施工期，主构件均采用了预制装配式构件，采取先梁后拱的施工方法，即先在支架上安装好系梁后，再利用塔架扣索法进行拱肋的无支架安装（如图一所示）。图一塔架扣索法安装拱肋这里主拱肋分三段安装，三段间的接头均采用半刚性接头，使拱肋连接起来后就能承受轴向力的作用。安装拱肋时先将拱脚段扣在塔架顶部，中段则利用浮吊吊着，运到就位地点后进行拱肋的对接合拢。当三段拱肋对准并进行轴线纠偏好后，就可以电焊钢板接头，然后将扣索和浮吊渐渐松脱，此时拱肋就靠自身的竖向刚度和横向缆风索维持稳定，屹立在拱座上。在对已经站稳的拱肋接头主筋电焊和外包砼浇筑的同时，就可准备第二根拱肋的安装了。从这里可以看出缆风索是维持拱肋横向稳定的关键工具，但如何设计缆风索、需要多少根直径多少的钢丝绳才能满足拱肋横向稳定的需要，这些就是本文所述的重点。三、新虹桥缆风的设置及拱肋横向稳定计算在许多地方，为节约安装设备（如塔架和浮吊），一般均首先实施单肋合拢，然后再进行第二根肋的安装，此时第二根（甚至第三根）肋的稳定就可依靠临时性系杆和第一根拱肋联系，达到同时稳定。缆风设置的数量，考虑到对称性一般可不少于四根，具体数量由计算决定，如图二所示。图二拱肋安装平面图这里计算的关键是将缆风索看作是弹性支承，将拱肋比作是弹性支承上的连续梁，利用能量法计算这根连续梁所能承受的轴向力Nk（即临界力），见图三。如果Nk≥KN，则拱肋在横向便是个稳定体系。这里K是临界力安全因数，N为拱肋实际发生的轴向力。图三拱肋横向稳定计算简图将图三作为计算简图。设拱肋的横向刚度为EI，缆风索的弹性抗力系数为K，则可以利用以下步骤计算出拱肋所能承受的轴向压力Nk。1、设拱肋在横向屈曲时拱肋偏离设计轴线y的方程--屈曲线方程可用下式来表示：四、横向缆风索的布置及张拉要点由上计算结果可见，横向缆风索在拱肋接头为刚性连接时，一般只需布置二档；如计算下来临界力不足时，可加大缆风索的直径；如果再不满足要求，可对称布置成三档（一档在跨中）或四档。此时仅需增加△U2的计算便可了，但在设置缆风索时要注意以下几点：1、缆风索锚固点位移要小。如果缆风索受力后锚固点（地锚）发生较大的位移，则稳定作用减小。因此在吊装前应对可能产生位移的地锚利用船用拉力计试拉。2、要有便于操作的收紧装置。一般可先用手链滑车收紧后，再装上花纹螺丝杆等手动拉紧装置，以便于对拱肋偏移进行微调。3、缆风索一定要有安装张力。安装张力越大，在外力作用下的位移越小，因此要时常注意使缆风索保持有一定的安装张力。一般安装张力可根据地锚和缆风索的破断拉力决定（取破断拉力的10～20%）。4、缆风索布置力求对称，以便于轴线纠偏。结束语缆风索的使用在多种拱桥的无支架施工中，成为不可缺少的工具。目前正逢航道等级的升级改造，有不少已建的系杆拱桥需要拆除，也有较多的拱桥需要新建，在这过程中，都需要使用缆风索来维持拱肋的横向稳定。由此可见，本文对今后类似桥梁的施工具有一定的参考价值。