泰州大橋懸索主橋鋼箱梁吊裝施工順序的確定

王 峻，梁進(jìn)達(dá)

(1.江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部，江蘇泰州 225321;2.中交第二公路工程局第二工程有限公司，西安 710119)

1 前言

泰州長江公路大橋主橋?yàn)?90 m+1080 m+1080 m +390 m的三塔兩跨懸索橋，主橋凈寬33 m，兩根主纜橫向間距為34.8 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為16 m，加勁梁為扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)。泰州大橋主橋總體布置見圖1。

圖1 泰州大橋主橋總體布置圖(單位:m)Fig.1 General layout of main bridge of Taizhou Bridge(unit:m)

鋼箱梁橫斷面采用單箱三室構(gòu)造，兩側(cè)邊室為風(fēng)嘴兼檢修道，寬1.75 m，鋼箱梁全寬為39.1 m(含風(fēng)嘴)，梁高3.5 m。全橋共劃分136個(gè)梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長16 m、重249.94 t，最大吊裝梁段重量為308.82 t，全橋鋼箱梁總重量約33 426 t。鋼箱梁節(jié)段參數(shù)見表1，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。

表1 鋼箱梁節(jié)段參數(shù)表Table 1 Parameters of steel box girader’s sectio ns

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:mm)Fig.2 Standard sectional view of a steel box girder(unit:mm)

泰州長江公路大橋基于中塔結(jié)構(gòu)選型，實(shí)現(xiàn)主纜與中主鞍座間抗滑移穩(wěn)定、中塔受力、橋跨結(jié)構(gòu)剛度的綜合效果，中塔選用“人”字形鋼結(jié)構(gòu)主塔，與其他已建成兩塔懸索橋均不同［1］。加勁梁吊裝是對懸吊索的一個(gè)加載過程，對于泰州大橋三塔懸索橋難點(diǎn)如下:

1)傳統(tǒng)兩塔懸索橋加勁梁施工時(shí)，引起的主纜不平衡力，通過頂推索鞍可以很容易實(shí)現(xiàn)平衡。三塔兩跨懸索橋，中塔索鞍不設(shè)預(yù)偏，邊塔預(yù)偏量大，兩主跨加勁梁不平衡吊裝需考慮中塔主纜與鞍座的抗滑移和中塔彎曲應(yīng)力安全。

2)和常規(guī)兩塔三跨懸索橋相比，三塔懸索橋的結(jié)構(gòu)柔性較大，加勁梁荷載在吊裝的初期主纜的變形影響敏感。

3)雙主跨連續(xù)鋼箱梁，使得中塔無索區(qū)鋼箱梁體系轉(zhuǎn)換、鋼箱梁合龍段安裝等施工工藝復(fù)雜。

2 鋼箱梁可能采取的吊裝順序

泰州大橋?yàn)槿煽鐟宜鳂?，由于中塔采用“人”字形鋼塔結(jié)構(gòu)，中塔頂鞍座不設(shè)預(yù)偏，為保證索塔的應(yīng)力和主纜在鞍槽內(nèi)的抗滑安全系數(shù)不超過允許值，鋼箱梁吊裝遵循兩跨跨中對稱加載的原則?？刹扇〉匿撓淞旱跹b順序主要有索塔向跨中吊裝和跨中向索塔吊裝兩種方案。

方案一:兩主跨由索塔向跨中方向?qū)ΨQ吊裝，合龍段設(shè)在跨中略靠近邊塔側(cè)，全橋共2個(gè)合龍段。

方案二:兩主跨由跨中向索塔方向?qū)ΨQ吊裝，合龍段設(shè)在邊塔和中塔附近，全橋共4個(gè)合龍段［2］。

3 鋼箱梁吊裝順序可行性分析

3.1 基于主纜線形變化的分析

按照泰州大橋施工圖設(shè)計(jì)文件，主纜在空纜狀態(tài)時(shí)的主要數(shù)據(jù)如下:

1)邊塔頂鞍座的預(yù)偏量為2.365 m。

2)空纜狀態(tài)與成橋狀態(tài)主纜線形最大高差主跨為 8.927 m、邊跨為10.130 m。

3)邊塔頂鞍座處邊跨側(cè)的主纜切線角為29.303 5 °、中跨側(cè)為 21.529 1 °，中塔頂鞍座處兩側(cè)的主纜切線角為23.424 3°。

經(jīng)過對鋼箱梁吊裝過程中，邊塔、中塔主纜在塔頂鞍座處切線角變化趨勢計(jì)算的分析，切角與吊裝進(jìn)度具體關(guān)系見圖3。

圖3 中塔塔頂鞍座處主纜切線角變化趨勢與鋼箱梁吊裝順序關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship varying trend of main cable contingence angle at middle pylon top saddle and steel box girder lifting sequence

從圖3可看出，對于方案一，在鋼箱梁吊裝前期，主纜在塔頂鞍座處的切線角會隨著梁段吊裝數(shù)量的增加而增大;在鋼箱梁吊裝后期，主纜在塔頂鞍座處的切線角逐漸減小接近成橋狀態(tài);對于方案二，主纜在塔頂鞍座處的切線角變化趨勢則與方案一相反，切線角會隨著梁段吊裝數(shù)量的增加而先減小后逐漸增大接近成橋狀態(tài)。

從主索鞍的構(gòu)造圖可知，當(dāng)“主纜傾角”等于28.105°時(shí)，主纜在索鞍處的切點(diǎn)剛好在索鞍邊緣。當(dāng)“主纜傾角”大于28.105°時(shí)，主纜在此處形成彎折。采用方案一吊裝鋼箱梁時(shí)，開始階段塔頂鞍座處主纜切線角隨著鋼箱梁吊裝數(shù)量的增加而增大，中塔頂主纜出鞍座處出現(xiàn)折角現(xiàn)象;對于邊塔頂鞍座，由于空纜狀態(tài)的預(yù)偏量較大，邊塔靠主跨側(cè)主纜下緣與塔頂距離較小，出現(xiàn)主纜與塔頂碰撞。主纜出現(xiàn)折角或與塔頂碰撞，均可能造成主纜絲股損傷，因此鋼箱梁吊裝順序如采用方案一時(shí)，需要深入計(jì)算研究才能確定施工方案的可行性。

對于方案二，鋼箱梁吊裝作業(yè)過程中，主纜與鞍座處的切角始終小于成橋切線角，不會發(fā)生主纜的折彎，從鋼箱梁吊裝對主纜線形的變化影響趨勢分析，鋼箱梁適合從跨中開始吊裝。

3.2 基于鋼箱梁臨時(shí)連接件受力的分析

鋼箱梁吊裝就位后，梁段間采用臨時(shí)連接件連接，其臨時(shí)連接件在鋼箱梁吊裝過程中主要承受剪力、軸力的作用。鋼箱梁吊裝過程中，梁段間臨時(shí)連接件的受力均會因?yàn)橹骼|線形的變化而發(fā)生變化，在鋼箱梁線形基本形成之前，鋼箱梁處于頂板頂緊、底板張開的狀態(tài)，其連接狀態(tài)接近于鉸接。由此可發(fā)現(xiàn)，主纜傾角相對于成橋狀態(tài)相差越大，梁段間的臨時(shí)連接件受力越不利，受力越不均勻。

靠近索塔梁段先吊裝時(shí)，由于主纜傾角增大，使得吊索水平距離減小，比從跨中開始吊裝時(shí)要明顯，容易使梁段間產(chǎn)生較大的軸向擠壓力，鋼箱梁線形與成橋狀態(tài)相差更大。因此，在臨時(shí)連接件安全儲備不大的情況下，鋼箱梁從跨中開始吊裝比從塔端開始吊裝對臨時(shí)連接件更為有利，宜采用對主纜傾角變化影響較小的吊裝順序方案，即方案二。

3.3 基于中塔無索區(qū)梁段施工的分析

中塔區(qū)D、E梁段為無吊索梁段，其重量在成橋狀態(tài)由相鄰梁段的吊索承擔(dān)，因此該梁段在吊裝后需要進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。

從施工質(zhì)量方面來講，D、E梁段在鋼箱梁吊裝基本完成、梁段線形基本形成后再進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換更有利于保證梁段焊接線形的準(zhǔn)確性。鋼箱梁吊裝采用方案一，從塔端開始的順序時(shí)，由于中塔無索區(qū)梁段先安裝，隨著吊裝梁段數(shù)量的增加，梁段線形逐步接近于合龍線形，從前面主纜線形變化的分析中可知，在鋼箱梁線形逐步形成過程中，中塔無索區(qū)梁段間存在縱向壓力，豎向位移也變化比較大，中塔無索區(qū)梁段臨時(shí)支承系統(tǒng)需要適應(yīng)后續(xù)梁段吊裝時(shí)無索區(qū)梁段豎向位置的變化，施工難度比較大，也不利于梁段間臨時(shí)連接的結(jié)構(gòu)受力。鋼箱梁吊裝采用方案二，從跨中開始的順序時(shí)，D、E梁段是在梁段吊裝基本完畢、安裝合龍段之前吊裝，此時(shí)的梁段線形與合龍線形已基本一致，從塔端開始中塔無索區(qū)梁段先安裝出現(xiàn)的不利情況可基本忽略。

3.4 基于合龍段施工的分析

懸索橋合龍段施工，合龍空間一般可采用的措施有預(yù)偏合龍和溫差合龍兩種措施的其中一種或兩者相結(jié)合，由于泰州大橋合龍段施工在夏季，低于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度20℃的可能性非常小。通常需要考慮預(yù)偏合龍措施。預(yù)偏合龍是采用牽引設(shè)備將合龍段兩側(cè)或一側(cè)的已吊裝梁段向外牽引預(yù)偏，使合龍空間大于合龍段長度(一般要大于20 cm)的一種方法。

采用方案一從塔端開始吊裝時(shí)，合龍段位于跨中附近，全橋共2個(gè)合龍段。為便于預(yù)偏合龍，合龍段可設(shè)在跨中略靠近邊塔側(cè)，盡可能避開短吊索梁段，預(yù)偏合龍需要牽引約500 m的梁段。

采用方案二從跨中開始吊裝時(shí)，合龍段位于中塔和邊塔附近，全橋共4個(gè)合龍段。邊塔合龍段和中塔第一個(gè)合龍段由于需要牽引預(yù)偏的梁段長度較短，且均為長吊索梁段，預(yù)偏合龍很容易就可以實(shí)施，而中塔第二個(gè)合龍段則需要牽引約1 000 m的梁段，且牽引的梁段包括跨中短吊索梁段。

牽引的梁段長度越短、吊索長度越長，需要的牽引力越小，預(yù)偏合龍?jiān)饺菀讓?shí)施，反之亦然?？紤]梁段件匹配件連接后，在牽引過程中梁間存在非彈性變形(間隙)等因素影響，實(shí)際需要的牽引力一般會比模擬計(jì)算的大。因此，預(yù)偏合龍是希望牽引梁段長度越短越好。

3.5 基于吊裝設(shè)備的分析

泰州大橋鋼箱梁采用國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備——跨纜吊機(jī)進(jìn)行吊裝，該設(shè)備額定吊重370 t，適應(yīng)主纜最大水平傾角30°［3］?，F(xiàn)有跨纜吊機(jī)吊裝能力不存在問題，但要計(jì)算分析主纜傾角能否滿足。在前述分析中，鋼箱梁吊裝處主纜傾角最大為25°，并未超出跨纜吊機(jī)允許作業(yè)傾角，但從跨纜吊機(jī)使用的安全性考慮，鋼箱梁吊裝應(yīng)盡可能減小主纜的傾角，鋼箱梁吊裝采用方案二，從跨中開始更為有利。

4 鋼箱梁吊裝順序的確定

從前面的分析可以知道，采用吊裝方案一時(shí)，對于吊裝過程中出現(xiàn)的主纜在塔頂鞍座處有折角、主纜與塔頂邊緣碰撞的問題，解決辦法為在邊塔頂預(yù)留缺口、鞍座提前頂推，需要詳細(xì)的分析和控制。綜合來看，方案二除合龍段施工需要較大的預(yù)偏牽引力外，其他方面均優(yōu)于方案一，因此，泰州大橋三塔兩跨懸索橋鋼箱梁吊裝順序優(yōu)先考慮方案二，即從跨中對稱加載的吊裝順序，一方面施工組織安排上有優(yōu)勢，另一方面也是一般懸索橋的吊裝施工順序。

泰州大橋鋼箱梁采用小節(jié)段吊裝方案，根據(jù)橋型結(jié)構(gòu)及橋位處地形水位情況，鋼箱梁安裝的總體吊裝順序是從南北兩主跨跨中33、34號吊索梁段開始，同時(shí)向索塔方向分4個(gè)工作面對稱進(jìn)行吊裝施工，合龍段選擇兩個(gè)主跨的3號、62號吊索對應(yīng)梁段，全橋共設(shè)4個(gè)合龍段，合龍段的安裝順序是先安裝中塔附近合龍段，后安裝邊塔附近合龍段。

全橋鋼箱梁總體安裝流程如下:

4臺跨纜吊機(jī)分別在跨中33、34號索夾處固定，兩主跨先后將34、33號吊索對應(yīng)梁段吊裝到位，并連接好吊索、梁段間頂板臨時(shí)連接件(見圖4)。

4臺跨纜吊機(jī)在兩主跨分別從跨中32、35號吊索對應(yīng)梁段開始向索塔方向逐段垂直吊裝4～61號吊索對應(yīng)梁段(見圖5)。

邊塔側(cè)跨纜吊機(jī)從邊塔開始向中塔方向蕩移吊裝F梁段和63～66號吊索對應(yīng)梁段;中塔側(cè)跨纜吊機(jī)按E→D→C→C’→南側(cè)B→北側(cè)B的順序蕩移吊裝中塔附近特殊梁段(見圖6)。采用牽引預(yù)偏措施，跨纜吊機(jī)在3號、63號索夾位 置按圖7中④→①→③→②的順序垂直起吊合龍段。

圖4 跨中起始梁段吊裝Fig.4 Lifting of the start girder section in the middle of span

圖5 跨中一般梁段垂直吊裝Fig.5 Lifting of ordinary girder sections in the middle of span

圖6 索塔附近梁段蕩移吊裝Fig.6 Swinging lifting of girder close to pylons

圖7 合龍段吊裝Fig.7 Lifting of closing section

5 結(jié)語

泰州大橋?yàn)槿煽鐟宜鳂?，由于中塔采用“人”字形鋼塔，中塔頂鞍座不設(shè)預(yù)偏，與其他已建成的懸索橋均不同，鋼箱梁吊裝過程中，主纜線形的變化、梁段間臨時(shí)連接件的受力、以及中塔無索區(qū)鋼箱梁體系轉(zhuǎn)換以及合龍段施工工藝較雙塔懸索橋復(fù)雜，施工難度也更大。文章通過分析主纜線形變化、鋼箱梁臨時(shí)連接件受力、中塔無索區(qū)梁段施工、合龍段施工、吊裝設(shè)備等方面對鋼箱梁吊裝順序的影響，確定了三塔懸索橋合適的鋼箱梁吊裝順序方案，為今后類似工程懸索橋鋼箱梁吊裝順序的確定提供參考和借鑒。

［1］楊 進(jìn).泰州長江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設(shè)計(jì)的技術(shù)理念［J］.橋梁建設(shè)，2007(3):33－35.

［2］韋世國，吳建強(qiáng)，文 武，等.潤揚(yáng)大橋懸索橋鋼箱梁吊裝技術(shù)［J］.橋梁建設(shè)，2004(4):40 －43.

［3］閆友聯(lián)，趙有明，金 倉，等.特大跨徑懸索橋全液壓跨纜吊機(jī)設(shè)計(jì)研究［J］.橋梁建設(shè)，2004(4):13－16.