一种先缆后梁的自锚式悬索桥设计与施工方法与流程

本发明属于桥梁设计与施工技术领域，具体涉及一种先缆后梁的自锚式悬索桥设计与施工方法。

背景技术：

自锚式悬索桥与传统地锚式悬索桥的最大区别在于：前者主缆锚固于主梁上，后者主缆锚固于大地上。由于自锚式悬索桥的主缆锚固于主梁上，导致其主梁在成桥后受到巨大的水平分力；在施工过程中主梁是逐步拼装成整体的，只有当主梁形成整体后才能承受较大的主缆水平分力；因此，如何将主缆水平分力转移至主梁上成为自锚式悬索桥设计与施工的关键技术之一。

传统的自锚式悬索桥施工方法主要是先梁后缆法，其施工步骤为：先将主梁形成可以承受水平力的整体，再通过张拉吊索及主索鞍顶推，将主缆水平分力不断传递至主梁上；根据主梁架设方法的不同，先梁后缆法又可分为支架施工、顶推施工及大节段吊装等。

支架施工法虽施工简便，但对于跨度较大、河床较深且有临时通航要求的桥址，支架法施工造价急剧增加，因此对于跨度较大且有临时通航要求的自锚式悬索桥，支架法施工便不再适用。顶推法施工可满足有桥下通航要求的桥梁，但是存在钢箱梁应力集中和滑道脱空等问题，且导梁高度较高，有可能侵占通航净空，为减少钢箱梁应力，需架设较多临时墩，不适用于桥下通航等级较高的自锚式悬索桥。大节段吊装法可满足桥下临时通航要求，且节段吊装施工较为简单，由于主梁架设后存在初始内力及初始线形，虽可通过设置主梁预拱度使主梁成桥线形满足设计要求，但无法消除初始内力的影响，将会导致成桥后主缆、吊杆等不满足合理成桥状态。

公开号为cn105648917a的中国专利提出采用缆梁同步的施工方法，主梁采用顶推施工，在顶推施工中同时进行主缆施工，其本质就是采用主梁顶推的先梁后缆施工方法，由于要设置导梁、临时墩等构件，对于临时通航等级较高的河道不再适用。因此，新的先缆后梁施工方法受到关注，先缆后梁施工方法的步骤是：在主梁形成整体前，先架设主缆，随后吊装主梁，通过设置临时构件来承担主缆力；先缆后梁要解决的关键性问题是：在吊装主梁过程中主梁的自重，或者说主缆水平分力由谁来承担？

公开号为cn107059637a和cn106149569a的中国专利提出了采用临时钢塔和临时斜拉索的方法进行悬臂拼装主梁节段，施工中由临时钢塔和临时斜拉索先承受主梁自重力，待主梁形成整体后进行吊索张拉施工，实现体系转换；为了充分利用临时斜拉索的拉索力，该施工方法往往需要较高的临时钢塔，从而导致钢塔纵向刚度较小，对主梁节段定位和监控带来困难。随着跨度的加大，临时钢塔可能比永久桥塔造价更高。

公开号为cn106149569a、cn204418031u和cn104652285a的中国专利提出采用塔-梁临时锚固装置，通过该临时锚固装置来承担施工过程中的主缆水平分力；但随着自锚式悬索桥的跨度不断加大，主缆的水平分力也在不断加大，主梁和墩塔之间的临时固结以及墩塔自身的抗推刚度限制了自锚式悬索桥跨度的进一步加大。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种先缆后梁的自锚式悬索桥设计与施工方法，其通过设置临时锚锭和临时扣索，由临时扣索承担施工过程中的主缆水平分力并将其传递至临时锚锭，以实现后续的主梁吊装施工，能够在施工过程中平衡主缆水平分力。

一种先缆后梁的自锚式悬索桥施工方法，包括如下步骤：

(1)施工桥塔、桥墩、边跨主梁、锚跨主梁以及主梁锚固段；

(2)施工用于承受主缆水平分力的临时锚锭，进而安装连接主梁锚固段与临时锚锭的临时扣索；

(3)在桥塔上架设主缆并使其端部锚固于主梁锚固段上，在架设过程中同步张拉临时扣索；

(4)吊装主梁节段，在吊装过程中逐步顶推桥塔顶部的主索鞍，并同时逐步张拉临时扣索；

(5)主梁吊装完成并形成整体后分步拆除临时扣索，将临时扣索上的力逐步传递至主梁上，完成体系转换。

进一步地，所述步骤(1)中施工的桥墩包括辅助墩和过渡墩，辅助墩位于桥塔与过渡墩之间，主梁锚固段则施工在辅助墩上。

进一步地，所述步骤(1)中采用临时支架架设边跨主梁和锚跨主梁。

进一步地，所述步骤(2)中施工的临时锚锭位于主梁锚固段外侧，且由于自锚式悬索桥桥址处地质往往较差，因此临时锚锭采用桩基础固定于大地上，以承担由临时扣索传递的水平分力。

进一步地，所述步骤(2)中临时扣索作为体外预应力束的一种，在对其安装的过程中利用千斤顶对临时扣索不断进行张拉，使临时锚锭受斜向上拔力，主梁锚固段则处于平衡状态。

所述主梁锚固段作为主梁与主缆的连接构造，本质上属于主梁的一部分；所述临时扣索作为主梁锚固段与临时锚锭的连接构造。

所述临时锚锭通过桩基础固定于大地上，在施工过程中保持不动；以主缆覆盖范围为内侧，主梁锚固段作为该范围的边界，临时锚锭的位置在主梁锚固段的外侧。

进一步地，所述步骤(3)中施工的主缆采用丝股架设，在架设过程中主缆的自重逐渐增大，主缆在自重作用下会在主梁锚固段处产生一定的水平分力，水平分力将主梁锚固段拉向主跨方向，故通过张拉临时扣索以平衡该水平分力。

进一步地，所述步骤(3)在张拉临时扣索的过程中，首先通过相关悬索桥施工的仿真模型计算出临时扣索设计所需的张拉力，进而现场监控主梁锚固段的水平位移量，根据该位移量调节控制实际施工时临时扣索所需的张拉力。

进一步地，所述步骤(4)在主梁节段吊装施工开始后主缆的内力不断加大，随着施工过程的进行，主跨的主缆内力会逐步大于边跨的主缆内力，因此需监控桥塔塔顶的水平位移，当位移超过限值则顶推塔顶的主索鞍，以调节平衡主跨主缆与边跨主缆的内力大小；但顶推主索鞍的操作会导致边跨主缆的内力增大，从而使主梁锚固段受到的水平分力加大，因此需监控主梁锚固段的水平位移，当位移超过限值则张拉临时扣索，以平衡主梁锚固段增加的水平分力。

所述主梁在形成整体之前不承受主缆水平分力，该水平分力全部由临时扣索承担，进而由临时扣索将该水平分力传递至临时锚锭。

进一步地，所述步骤(5)中临时扣索在主梁形成整体并能承受主缆水平分力后进行拆除，拆除过程是分步且缓慢进行，同时监控主梁锚固段的位移状态。

本发明先缆后梁自锚式悬索桥设计与施工方法，具有受力清晰、便于监控且不中断桥下通航等优点。与传统的先梁后缆施工方法相比，本发明不再在主通航孔搭设满堂支架和临时支墩；与临时钢塔和梁-墩塔临时固结施工方法相比，本发明无需考虑主塔、桥墩的水平抗推刚度和临时固结强度等问题。因此，本发明可以解决位于桥下通航要求较高、河床较深处的自锚式悬索桥施工难题，可以进一步提升大跨度自锚式悬索桥的竞争力。

附图说明

图1为本发明自锚式悬索桥的结构示意图。

图2(a)为本发明先缆后梁自锚式悬索桥施工步骤一后的结构示意图。

图2(b)为本发明先缆后梁自锚式悬索桥施工步骤二后的结构示意图。

图2(c)为本发明先缆后梁自锚式悬索桥施工步骤三后的结构示意图。

图2(d)为本发明先缆后梁自锚式悬索桥施工步骤四后的结构示意图。

图2(e)为本发明先缆后梁自锚式悬索桥施工步骤五后的结构示意图。

其中：1—桥塔，21—主跨主梁，22—边跨主梁，23—锚跨主梁，24—主梁锚固段，31—主缆，32—吊索，41—辅助墩，42—过渡墩，5—临时支架，6—临时锚锭，7—临时扣索。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，为一座典型的双塔五跨的自锚式悬索桥，结构包括：桥塔1、桥墩(包括辅助墩41和过渡墩42)、主梁(包括主跨主梁21、边跨主梁22和锚跨主梁23)、主缆31及吊索32等。

从图1的自锚式悬索桥合理成桥状态，可以看到，由于自锚式悬索桥主缆31锚固于主梁上，当主梁作用竖向荷载时，主缆31存在较大的水平分力，这一水平分力将由主梁承担。施工过程中结构的状态与成桥状态不完全相同，在施工过程中，主梁是分节段拼装的；在形成整体前，主梁是无法承受由主缆31传递过来的水平分力，这也是自锚式悬索桥要解决的设计与施工难题之一。常规的先梁后缆施工方法思路较为简单，即将主梁先形成一个整体，再进行后续的施工步骤；而先缆后梁施工方法，则是考虑将主缆31的水平分力先由其他临时构件承担，待主梁形成整体后，这一水平分力再由临时构件慢慢转移至主梁上。

自锚式悬索桥的施工是一个从无到有的状态改变过程，此过程中存在多个体系转换。对于本发明先缆后梁施工方法，最主要也是最复杂的体系转换即是将主缆31的锚固点由临时构件转换到主梁上，换言之，即逐步拆除临时扣索7和临时锚锭6，将临时扣索7力释放，逐步转移至主梁上，具体则通过以下步骤来进行施工：

步骤一：施工桥塔1、桥墩(包括辅助墩41、过渡墩42)、边跨主梁22、锚跨主梁23以及主梁锚固段24，如图2(a)所示，主梁锚固段24作为主梁和主缆31的连接构造，本质上属于主梁的一部分。

在自锚式悬索桥施工过程中，往往主航道有临时通航要求；对于边跨位置处的辅航道，也有可能有临时通航要求。本实施方式中的辅航道没有临时通航要求，为降低施工难度以及节省造价，采用临时支架5架设边跨主梁22。当然，在边跨有临时通航的情况下，同样也可以采用先缆后梁的施工方法，在主缆31架设后再进行主梁节段吊装；锚跨仅作为压重或桥梁配跨需要，对于某些自锚式悬索桥不涉及锚跨构造的，本发明同样适用。

步骤二：施工能承受主缆31水平分力的临时锚锭6，安装位于主梁锚固段24和临时锚锭6之间的临时扣索7，如图2(b)所示，临时扣索7作为主梁锚固段24和临时锚锭6的连接构造。

以主缆31覆盖范围为内侧，主梁锚固段24作为该范围的边界，临时锚锭6放置于主梁锚固段24的外侧，这是由其受力特性所决定的。自锚式悬索桥桥址处地质往往较差，因此临时锚锭6通过桩基础固定于大地上，在施工过程中保持不动，来承担由临时扣索7传递的水平分力。临时扣索7位于主梁锚固段24和临时锚锭6之间，其实为体外预应力束的一种；在施工过程中，临时扣索7需通过千斤顶不断张拉，当张拉临时扣索7时，临时锚锭6受到斜向上拔力，主梁锚固段24则处于平衡状态。

步骤三：进行主缆31的架设施工，在主缆31架设过程中，同步张拉临时扣索7，如图2(c)所示。

主缆31架设施工通常采用丝股架设，因此架设过程中，主缆31的自重是逐步增大的。主缆31在自重作用下，会在主梁锚固段24处产生一定的水平分力；同时，主缆31上的临时措施，如猫道、施工机具等，同样也会产生一定的水平分力，这些水平分力将主梁锚固段24拉向主跨方向，因此需张拉临时扣索7来平衡该水平分力。通过软件建模计算，可以很容易地得到临时扣索7的设计张拉力，再由现场监控主梁锚固段24的水平位移量，来控制实际施工时所需的临时扣索7拉力。

步骤四：吊装主梁节段，在吊装过程中，逐步顶推桥塔1顶部主索鞍，同时逐步张拉临时扣索7，如图2(d)所示。

经过前面三个步骤的实施后，自锚式悬索桥的状态和地锚式悬索桥几乎一致，其不同点在于：在主梁吊装过程中，本发明要增加张拉临时扣索7步骤。主梁节段吊装后，主缆31受力不断加大，随着施工过程的进行，主跨主缆31力会逐步大于边跨主缆31力，在合适的时间节点顶推塔顶部主索鞍，是为了调整边、主跨主缆31力大小；但顶推主索鞍的操作会导致边跨主缆31力增大，从而使主梁锚固段24受到的水平分力加大，因此需要在顶推主索鞍的同时，张拉临时扣索7，通过临时扣索7力来平衡主梁锚固段24增加的水平分力。具体实施时，在主梁吊装过程中监控桥塔1塔顶水平位移，当位移超过限值顶推塔顶主索鞍，同时监控主梁锚固段24水平位移，当位移超过限值张拉临时扣索7。

步骤五：主梁吊装完成并形成整体后，分步拆除临时扣索7，将临时扣索7上的力逐步传递至主梁上，完成体系转换，如图2(e)所示。

主梁在形成整体之前不承受主缆31水平分力，该水平分力全部由临时扣索7承担，进而由临时扣索7将该水平分力传递至临时锚锭6；随着最后一块主梁节段的施工完成，自锚式悬索桥的主梁形成整体，此时主梁已能承受强大的水平分力。经过前四个步骤的操作，临时扣索7力的数值已经较大，一次性拆除临时扣索7可能带来风险，因此拆除过程是分步且缓慢的，同时需监控主梁锚固段24的位移状态；通过分步拆除临时扣索7，释放由其承担的拉力，即可将主缆31水平分力逐步传递至主梁上。经过步骤五后，自锚式悬索桥的体系转换完成，回到了设计所预定的合理成桥状态。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。