悬索桥施工控制概要

悬索桥的受力分析与施工控制悬索桥类型及施工特点悬索桥的受力分析悬索桥施工控制悬索桥类型及施工特点悬索桥的类型（地锚式悬索桥）传统的地锚式悬索桥指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸锚锭的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。主缆是悬索桥结构体系中的最重要的承重构件，为受拉的柔性索；索塔是主缆的重要支承构件（承受桥梁竖向荷载），以受压为主；加劲梁是保证车辆行驶、提供结构刚度的梁结构，以受弯扭为主；吊索是将竖向荷载传递到主缆的构件，是连系加劲梁与主缆的纽带，以受拉为主；锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。悬索桥类型及施工特点悬索桥的类型（自锚式悬索桥）自锚式悬索桥在上部桥跨结构的构成（主缆、索塔、吊杆、加劲梁）方面与地锚式悬索桥相同，其根本区别在于自锚式悬索桥主缆是锚固于两侧的加劲梁梁体中。因此，自锚式悬索桥不需要建造锚锭，但其加劲梁除承受竖向弯曲外，还要承受较大的轴向压力。自锚式悬索桥的主缆矢跨比一般取1/5~1/6，而地锚式悬索桥的主缆矢跨比一般取1/9~1/11。龙洲55.770956.72010129.65523.4961158.515129.65557.96425.2021256.7201355.77014三汊矶大桥桥型图悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（地锚式悬索桥）地锚式悬索桥一般采用先缆后梁的施工工序。其特征性的施工工序如下：锚锭、索塔施工主缆架设、吊杆安装加劲梁架设桥面系架设、二期恒载施工安装索夹猫道架设索股架设悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（地锚式悬索桥）加劲梁架设方法跨缆吊机吊装（适用跨江河桥）如国内江阴长江大桥、武汉阳逻大桥缆索吊机吊装（适用山区桥梁）如国内沪瑞北盘江桥、湖北四渡河大桥桥面吊机吊装（适用各类桥梁）如国内沪瑞坝凌河大桥轨索运梁（适用山区桥梁）如国内湖南矮寨大桥悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（地锚式悬索桥）阳逻桥跨缆吊机起吊钢箱梁节段北盘江桥缆索吊机吊运钢桁梁节段跨缆吊机骑跨在主缆上。目前跨缆吊机无负载行走能力，因此要求加劲梁节段运输到桥位下方，由跨缆吊机垂直起吊。缆索吊机骑需单独设置。跨缆吊机可实现负载行走和垂直提升，是山区大跨悬索桥常用加劲梁架设方式。悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（地锚式悬索桥）坝凌河桥桥面吊机起吊钢桁梁片桥面吊机安装在加劲梁上。桥面吊机广泛用于大跨桥梁施工，在山区悬索桥中，通过桥面运送桁片到吊装位置，由桥面吊机吊装就位。悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（地锚式悬索桥）矮寨桥轨索滑移法运梁足尺试验轨索运梁突破了传统山区悬索桥加劲梁施工技术，创新性利用缆索系统形成加劲梁运送缆索通道，由运梁小车完成加劲梁的运送工作。悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（自锚式悬索桥）自锚式悬索桥一般采用先梁后缆的施工工序。其特征性的施工工序如下：索塔、桥墩施工加劲梁架设主缆架设、吊杆张拉二期恒载施工加劲梁架设方法支架法施工（适用通航要求低）如国内抚顺天湖大桥、浙江北关大桥顶推法施工（适用通航要求高）如国内长沙三汊矶桥、佛山平胜大桥体系转换方法吊杆张拉法如国内佛山平胜大桥顶升加劲梁法如国内长沙三汊矶桥悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（自锚式悬索桥）北关大桥支架法施工混凝土加劲梁三汊矶大桥顶推法施工钢箱梁支架法施工是自锚式悬索桥加劲梁架设施工中常用的方法，费用低，便于加劲梁的线形控制；但会对通航产生影响。顶推法施工是大跨度自锚式悬索桥加劲梁架设中常用的方法。施工速度快，不影响通航；但加劲梁线形控制难度较大。悬索桥类型及施工特点悬索桥的施工特点（自锚式悬索桥）平胜大桥吊杆张拉法体系转换三汊矶大桥顶升加劲梁法体系转换平胜大桥吊杆上部采用销接式，下端穿过梁体。利用接长杆进行吊杆的张拉，使加劲梁的荷载传递到主缆，吊杆张拉完成后，即完成体系转换。三汊矶大桥吊杆上下均采用销接式。通过顶升钢箱梁，使吊杆能在基本无应力状态下进行安装，当钢箱梁落梁后，吊杆传力，完成体系转换。悬索桥的受力分析分析方法及内容目前悬索桥精确分析通常采用悬链线理论和非线性有限元分析相结合的方法进行。悬索桥分析的主要内容如下：1）精确合理地确定悬索桥恒载成桥状态下的构形与内力；2）精确分析悬索桥运营阶段在活载及其它附加荷载作用下的静力响应；3）合理确定悬索桥各施工阶段的受力状态与构形，以期达到恒载成桥时的设计要求；由于主缆是悬索桥最重要的受力构件，因此悬索桥的受力分析基本上也是以主缆的分析为主。悬索桥的受力分析主缆分析（悬链线分析理论）悬索桥主缆索形力学模型简化图分段悬链线模型简图悬索桥主缆所受荷载为沿弧长均布的主缆自重及通过吊索传递的集中荷载(加劲梁、索夹、吊索及锚头自重和二期恒载)，因此悬索桥的受力可简化为承受沿弧长均布荷载加吊索处作用有集中力的柔性索。图a所示的索的力学模型无法直接求解，可以选取吊点间的索段（分段悬链线）为研究对象，建立悬链线平衡方程，即可求解该索段成桥状态下的有应力索长si、线形ci和索力H和V。悬索桥的受力分析0222llschxdxshshl主缆分析（悬链线分析理论）2iiiiiiHychchxql根据分段悬链线理论，可以推导得到式（1）2iiqlH（1）111102iiiiPshshH根据式（1），可得到每段分段悬链线的吊点高差ci，式（2）02iiiiiHcylychchq（2）根据曲线积分，可以得到分段悬链线的有应力索长s，式（3）（3）根据张力下索的伸长量，可得到分段悬链线的无应力索长s0，式（4）20212222244lqlsshshshshEA（4）悬索桥的受力分析主缆分析（悬链线分析理论）主缆线形的迭代求解（成桥线形计算）由于分段悬链线计算公式为隐式表达，因此求解需要通过迭代完成。下面给出成桥线形迭代的一种处理方法：1）根据确定的设计IP/TP点将桥跨分为中跨、边跨等若干计算段，分别进行迭代。悬索桥主缆设计控制IP点∑c如右图，进行分段悬链线理论分析时，需要根据设计IP点，将主缆分为左边跨、左中跨、右中跨、右边跨等各计算段。迭代收敛条件中线形控制：利用∑ci＝f，其中f是计算段IP点间的竖向高差。悬索桥的受力分析主缆分析（悬链线分析理论）2）首先进行中跨计算段的迭代。假定迭代初始值H=ql2/8f，V=ql(1+8f3/3l2)+∑Pi。3）将迭代初始值H、V带入式（1）和式（2)，可以计算得到γ1、β1及c1011112Hcchchq4）对1～i个分段悬链线进行迭代，可以依次计算得到γi、βi及ci；同时利用式（3）和式（4），可依次计算得到各分段si。5）令V＝∑siq+∑Pi－Hch(2βn－γn)，H=H+ΔH;重复迭代步骤(3)、步骤(4)，直到前后两次V的绝对差值ΔV小于容许小值ε，同时Δc＝｜∑ci－f｜ε，则认为中跨计算段的初次迭代完成，得到H中、V中。其中，ΔH＝(Δc-∑(li3/S2H)ΔV)/∑(li2ci/S2H)6）假定边跨迭代初始值H=H中，重复步骤(2)~(5)，对边跨计算段进行迭代，完成迭代，得到边跨H边。悬索桥的受力分析主缆分析（悬链线分析理论）7）令ΔH’＝H中－H边，以H－ΔH’对中跨、边跨进行迭代计算，直到前后两次ΔH的绝对差值小于容许小值ε。则认为全部计算段的迭代完成。8）求解主缆成桥线形节点数据：S=∑si，S0=∑s0i，xi=xi-1+li，yi=yi-1+ci。主缆线形的迭代求解（空缆线形）:根据无应力长度不变的原理，可以利用悬链线方程进行空缆线形的迭代计算。1clshsh2qlH（5）HqlchHqlxHqchqHy22（6）悬索桥的受力分析主缆分析（悬链线分析理论）下面给出空缆线形迭代的一种处理方法：(此处q为空缆重力集度）1）令c=f，H=ql2/8f，代入式（5）中，计算得到γ和β值。2）将γ和β值代入式（4）中，计算得到S0‘，ΔS0=S0‘－S0。3）令ΔH=ΔS0/(2sh(ql/2H)/q－ch(ql/2H)/H)，得到新的H=H+ΔH，代入式（6)，可计算得到新的c；4）重复进行步骤1）~3)的迭代，直到│ΔS0│ε，则认为计算段初次迭代完成，计算边界水平力H及矢高c。5）计算ΔL=（H中－H边）△Ｇ，△Ｇ表示索塔在单位力作用下的变形量，令中、边跨的长度l＝l-ΔL，重新进行中、边跨的迭代分析，直到│ΔL│ε。则认为全部计算段的迭代完成。6）此时，就可以计算得到索鞍预偏量∑ΔL和空缆预抬量c－f。悬索桥的受力分析主缆分析（非线性有限元分析）悬索桥结构的受力分析属于大位移小应变的几何非线性问题，宜采用UL格式建立增量平衡方程。有限元建模的单元选择：1.悬索桥的主缆宜采用专用的索单元模拟吊杆间的悬链线单元，也可采用3～6个只拉杆单元模拟吊杆间的悬链线单元。2.悬索桥的吊索可采用只拉杆单元模拟。3.悬索桥的索塔及横梁宜采用考虑剪切的Timoshenko梁单元模拟。4.悬索桥的整体分析时，加劲箱梁可采用鱼骨梁单元模拟，鱼骨梁通过刚臂与吊索连接，加劲桁梁宜采用空间杆单元模拟横梁杆件。5.吊索通过上下刚臂与主缆、主梁连接，以模拟上下锚头的刚性。6.索塔横梁上与主桥钢桁梁连接的竖向支座采用竖向链杆模拟，横向抗风支座用横桥向位移约束模拟。悬索桥的受力分析主缆分析（非线性有限元建模）主索鞍的模拟：方法1如图a模型，主索鞍与塔顶之间用（1-6)、（6-7)两个杆单元模拟，可模拟索鞍在塔顶的竖向传力及预偏调整等行为。方法2采用塔顶节点7作为主节点，主索鞍顶点1作为从节点，利用主从约束条件模拟主索鞍在塔顶的移动，释放从节点1的纵向位移，从节点的其它边界条件与主节点相同。悬索桥的受力分析主缆分析（非线性有限元建模）散索鞍的模拟：散索鞍位于锚碇前，起支撑转向及分散束股便于主缆锚固的作用，如图a所示。与塔顶主索鞍不同的是，散索鞍在主缆受力或温度变化时要随主缆同步移动，其形式为摆柱式。采用一个轴向刚度和弯曲刚度无穷大的梁单元连接1，2点，释放2点纵向转动约束来模拟散索鞍的铰接摆柱作用。图中1点为成桥状态散索鞍IP点，2点为散索鞍固定点。图a散索鞍示意图图b散索鞍建模图悬索桥的受力分析主缆分析（非线性有限元建模）图a北盘江大桥主缆成桥分析模型图b矮寨大桥主缆成桥分析模型悬索桥的受力分析主缆分析（非线性有限元建模）图c三汊矶大桥主缆成桥分析模型图d三汊矶大桥顶升钢箱梁落梁体系转换施工控制分析模型桥跨空缆有限元模型悬索桥的受力分析主缆分析（分析步骤）精确计算悬索桥成桥及空缆主缆线形可采用有限元分析与悬链线理论分析相结合的方法进行:一次成桥分析模型恒载成桥变形、内力得到空缆及成桥结构有限元模型线形、内力满足成桥目标是否代入悬链线理论迭代求解程序求解主缆成桥线形、索长S和索力主缆空缆线形、索力和吊索无应力长度迭代求解迭代求解更新模型得到空缆预抬量、索鞍预偏量、索夹预偏量、主缆及吊索无应力长度等数据比较主缆分析的主要目的之一是建立精确的空缆、成桥的桥跨结构有限元模型，为运营阶段受力分析和施工控制分析提供基础条件。悬索桥的受力分析运营阶段分析在主缆分析得到的成桥恒载状态桥梁有限元模型基础上，就可以用荷载增量法进行运营阶段活载、温度及风载等工况影响分析。下面给出的是北盘江大桥在各种工况下的分析结果图形：活载作用下主缆索力影响线图最小:-0.734最小:-0.734活载作用下加劲梁挠度影响线图悬索桥的受力分析运营阶段分析系统升温25℃时的主缆变形图（m）最大:-0.469系统升温25℃时的加劲梁变形图（m）最大:-0.047系统升温25℃时的索塔变形图（m）悬索桥的受力分