大跨度自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換問題探討

中鐵大橋局集團(tuán) 第一工程有限公司 王同民

大跨自錨式懸索橋因其自錨的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，在其吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，主纜、吊桿、橋塔與加勁梁的位移、應(yīng)力變化情況復(fù)雜。因此，吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換工作就成了關(guān)系大跨自錨式懸索橋全橋結(jié)構(gòu)安全和成橋線形質(zhì)量的重要工序。本文，筆者結(jié)合武西高速公路桃花峪黃河大橋工程實例，對大跨自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討，以期對同行有所參考。

一、工程概況

主橋是跨布置為160 m＋406 m＋160 m的雙塔三跨自錨式懸索橋，居目前同類型橋梁跨度之最。加勁梁采用鋼箱梁，梁高3.5 m，寬39 m。主纜用37-127Φ5.3 mm-1670高強(qiáng)鋼絲，上下游平行布置，間距中跨矢跨比為1/5.8。吊桿用2-109Φ5.0 mm高強(qiáng)鋼絲，基本間距13.5m，兩邊跨各10對吊桿，中跨29對。主橋橋型布置如圖1所示。

圖1 桃花峪黃河大橋主橋橋型布置

二、成橋目標(biāo)狀態(tài)的確定

體系轉(zhuǎn)換的最終目標(biāo)，是使橋塔、主纜、吊桿、加勁梁實現(xiàn)協(xié)作受力，形成恒載下的自錨體系，滿足設(shè)計參數(shù)和使用功能指標(biāo)條件，滿足成橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和幾何形狀。因此，成橋狀態(tài)的確定是大跨自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換施工的基礎(chǔ)。

通過試驗采集混凝土、主纜與吊桿的彈性模量、加勁梁的實際重量以及橋面鋪裝的容重等建模所需參數(shù)，根據(jù)設(shè)計文件，采用MIDAS軟件進(jìn)行三維建模，仿真計算二期恒載施加后的成橋狀態(tài)下梁單元的內(nèi)力和應(yīng)力、索（主纜與吊桿）單元信息及內(nèi)力、成橋狀態(tài)下主塔應(yīng)力和成橋狀態(tài)下最大位移等成橋狀態(tài)信息。全橋有限元模型如圖2所示，成橋狀態(tài)部分索單元內(nèi)力見表1。

圖2 全橋有限元模型

表1 恒載條件下成橋狀態(tài)部分索單元內(nèi)力kN

成橋狀態(tài)，塔、梁、主纜與吊桿均有足夠的安全儲備，其中主纜塔頂最大張力為44 052.1 kN，吊桿最大張力為1 857.78 kN；主塔成橋狀態(tài)外緣均未產(chǎn)生拉應(yīng)力，整個結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)良好。

將加勁梁臨時支撐下的空纜狀態(tài)作為初始施工階段，將恒載下的成橋狀態(tài)作為吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換施工的目標(biāo)狀態(tài)。由近塔側(cè)向遠(yuǎn)離橋塔方向逐對張拉吊桿，至邊跨吊桿全部張拉完成后，張拉中跨跨中吊桿，最后施加二期恒載，具體分以下幾個階段：第1階段，空纜狀態(tài)；第2 ～ 11階段，從近塔側(cè)開始向遠(yuǎn)塔方向?qū)ΨQ張拉吊桿，每階段4個索號，至11階段張拉完1，20，30和39號吊桿；第12 ～ 16階段，向跨中方向逼近張拉中跨跨中吊桿，每次張拉2個索號，從21，29至最后張拉25號吊桿；第17階段，進(jìn)行主索鞍頂推；第18階段，施加二期恒載，實現(xiàn)成橋體系。為了驗證初擬方案的可行性，采用1∶30縮尺模型進(jìn)行試驗研究。

三、模型試驗研究

采用幾何縮尺比1∶30的全橋模型，模擬進(jìn)行試驗，通過各施工階段的位移與應(yīng)變觀測結(jié)果分析，驗證施工階段吊桿張拉與結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程的合理性，發(fā)現(xiàn)施工過程中可能存在的風(fēng)險因素，并提出相應(yīng)的解決方案。

完成模型制作安裝、位移與應(yīng)變點(diǎn)的布置。建立縮尺模型橋的有限元仿真模型和實橋有限元仿真計算模型，將吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中的加勁梁、橋塔、主纜與吊桿的應(yīng)力、位移實測值與縮尺模型的理論值、實橋理論計算值作對比，研究加勁梁、主纜、吊桿、主塔的應(yīng)力與位移情況，研究加勁梁臨時支撐體系的脫架情況、吊桿與索道管口間隙變化情況、主索鞍頂推及加勁梁壓重等問題。

1.加勁梁的受力與變形。大跨自錨式懸索橋的吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，加勁梁由臨時支撐下的連續(xù)梁體系向由吊桿和主纜錨固、橋塔與邊墩支座支撐的受力體系轉(zhuǎn)換，整個過程中加勁梁的應(yīng)力與位移應(yīng)處于安全狀態(tài)。按擬定的吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換順序，對各施工階段加勁梁典型斷面應(yīng)力、位移進(jìn)行實測，并與理論計算值進(jìn)行對比。

由于桃花峪黃河大橋加勁梁采用頂推法施工，并選用R＝37 000 m的圓曲線作為加勁梁的成橋線形，并沿成橋線型頂推，在體系轉(zhuǎn)換前即滿足了成橋線形。故吊桿張拉過程中，加勁梁應(yīng)力不大，在吊桿張拉過程中，加勁梁以受彎為主；至中跨跨中吊桿張拉完，加勁梁上下緣均逐漸過渡到均衡受壓，橫斷面以承受軸壓力為主。至二期恒載完成，加勁梁應(yīng)力在50 MPa左右，結(jié)構(gòu)安全。加勁梁典型斷面應(yīng)力、位移值比較見表2。

表2 加勁梁典型斷面應(yīng)力、位移值比較

2.主纜線形與索端張力。大跨自錨式懸索橋的主纜線形及主纜索端張力是否能實現(xiàn)成橋狀態(tài)目標(biāo)值，是另一關(guān)鍵問題。通過實測值與理論值的比較，各施工階段主纜線形與主纜端部實測索力與理論計算值非常相近。縮尺模型成橋狀態(tài)纜端張力與線形見表3。

表3 縮尺模型成橋狀態(tài)纜端張力與線形

3.吊桿張力。大跨自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，必須確保吊桿有足夠的安全儲備。經(jīng)實測各施工階段吊桿張力與理論計算值接近，結(jié)構(gòu)安全。成橋時吊桿張力實測值與理論計算值見表4。

表4 成橋時吊桿張力實測值與理論計算值

4.塔頂偏位。大跨自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，主纜張力不斷增大，混凝土橋塔塔頂兩側(cè)不均衡水平力的變化將引起主塔偏位。這一過程中，橋塔外緣可能產(chǎn)生過大拉應(yīng)力，故采取將主索鞍縱向頂推的方式使主塔偏位歸零，最終實現(xiàn)成橋時橋塔僅軸向承壓。經(jīng)實測與理論對比，在完成主索鞍頂推及二恒施工后，主塔偏位值與理論值吻合?？s尺模型主塔偏位值見表5。

表5 縮尺模型主塔偏位值

需要注意的是，主索鞍在吊桿全部完成張拉后一次頂推就位，該過程中橋塔偏位大，對鋼筋混凝土橋塔而言，外緣會產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，影響橋塔結(jié)構(gòu)安全，故在實橋施工時，需分次頂推。

5.加勁梁脫架。在大跨自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，臨時支撐體系脫離情況，也關(guān)系結(jié)構(gòu)安全，并且是決定各臨時墩拆除時機(jī)的重要依據(jù)。主索鞍只頂推一次時，經(jīng)模型試驗驗證，各臨時墩可相繼退出工作，但邊跨近塔側(cè)臨時墩到成橋狀態(tài)仍存在豎向反力，不能自由脫離，故在實橋施工中需要進(jìn)一步調(diào)整。試驗?zāi)Ｐ团R時支點(diǎn)理論反力見表6。

表6 試驗?zāi)Ｐ团R時支點(diǎn)理論反力N

6.索鞍頂推。大跨自錨式懸索橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，橋塔外緣拉應(yīng)力應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，在塔頂偏位過大并導(dǎo)致橋塔外緣拉應(yīng)力超標(biāo)前，應(yīng)及時對主索鞍進(jìn)行頂推，使主塔回位。筆者根據(jù)實橋模型，比較了主索鞍不同頂推次數(shù)下主塔最外緣應(yīng)力水平，最終選用方案3，分3次頂推主索鞍，主塔外緣不產(chǎn)生拉應(yīng)力。索鞍頂推方案比較結(jié)果見表7。

表7 索鞍頂推方案比較結(jié)果

7.吊桿接長值。吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，主纜豎向位移量大，而吊桿均采用成橋狀態(tài)的設(shè)計長度加工制造，要實現(xiàn)空纜狀態(tài)下在加勁梁側(cè)的錨箱下對吊桿進(jìn)行張拉，吊桿需要進(jìn)行臨時接長桿接長。桃花峪黃河大橋加勁梁按成橋線形頂推就位，各施工階段邊跨吊桿幾乎不用接長，中跨吊桿所需接長值較長，按比例推算實橋施工階段所需吊桿接長值，吊桿最大接長值見表8。

表8 中跨吊桿最大接長值

8.加勁梁壓重與支座反力。在吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，隨著主纜張力的不斷增大，索端對加勁梁的軸壓與豎向分力不斷增大，在塔下、梁端支座出現(xiàn)拉壓臨界狀態(tài)前，應(yīng)對加勁梁內(nèi)箱灌注壓重混凝土，使支座處處于受壓狀態(tài)。

原設(shè)計要求在主纜安裝之前完成壓重，這樣會大大增加邊跨鋼錨梁支架用鋼量。經(jīng)計算分析，鋼箱梁不提前壓重，到第15和16階段，整個吊桿張拉完成、主索鞍最后一次頂推前后，橋塔處與梁端邊墩支座才會出現(xiàn)拉壓臨界狀態(tài)，故將壓重時機(jī)調(diào)整到吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中分兩次進(jìn)行，可節(jié)省大量邊跨鋼錨梁支架管柱投入，同時也能確保結(jié)構(gòu)安全。同時，成橋狀態(tài)支座壓力儲備較大，壓重總量有一定優(yōu)化空間，梁端支座應(yīng)力比較如圖4所示。

圖4 梁端支座反力比較

9.吊桿與錨箱索道管間的間隙。大跨自錨式懸索橋的吊桿上端通過索夾錨固于主纜，在吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，主纜會發(fā)生非常大的位移，使吊桿垂直度隨之變化。在各施工階段，應(yīng)對吊桿變化過程中吊桿與吊桿索道管管口間的間隙進(jìn)行核對，保證在整個吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中吊桿與索道管管口不發(fā)生擦碰。對可能擦碰的吊桿位置，應(yīng)對索道管進(jìn)行預(yù)偏或后焊，以避免擦碰發(fā)生。

四、吊桿的張拉與體系轉(zhuǎn)換施工

經(jīng)模型試驗，對大跨自錨式懸索橋中的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，并對桃花峪黃河大橋吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換順序進(jìn)行了優(yōu)化，具體步驟見表9。

表9 吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換工序步驟

1.吊桿張拉控制方法。傳統(tǒng)吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換方法，均是基于張拉力分級下的反復(fù)張拉吊桿法，最終將吊桿張拉力趨近于成橋狀態(tài)，并對全橋線形進(jìn)行測量后，最后進(jìn)行全橋線形調(diào)整，過程復(fù)雜，耗時長。

在桃花峪黃河大橋吊桿張拉過程中，以成橋狀態(tài)吊桿的無應(yīng)力長度為基礎(chǔ)，通過吊桿需要引出梁端錨板的引伸量進(jìn)行控制。同時，控制吊桿最大張拉力在允許范圍內(nèi)以保證結(jié)構(gòu)安全。實際施工時，引伸量根據(jù)主纜竣工線形、索夾竣工尺寸、鋼箱梁錨箱竣工線形進(jìn)行修正。有限元計算量見表10，實際安裝控制參數(shù)見表11。

對主跨跨中D21 ～ D29號吊桿，若一次張拉至設(shè)計無應(yīng)力長度，由于跨中加勁梁與臨時支墩完全脫離，鋼箱梁質(zhì)量大，會使得單根吊桿張拉力過大。為確保結(jié)構(gòu)安全，需對相鄰兩根吊桿協(xié)同張拉，在前一編號吊桿受力滿足最小拉力要求后，再將鄰后一根吊桿張拉到無應(yīng)力吊桿長度。

表10 有限元計算量

表11 實際安裝控制參數(shù)

2.實橋施工階段的脫架。大跨自錨式懸索橋先梁后纜的施工順序要求決定了這一橋型為大型臨時結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)臨時支撐體系的投入總量大，占用時間長，對施工經(jīng)濟(jì)性影響很大。實現(xiàn)臨時支撐體系的優(yōu)化，選擇合理的脫架時機(jī)、脫架方式，對改善自錨式懸索橋施工經(jīng)濟(jì)性也有重要影響。

在桃花峪黃河大橋施工中，在加勁梁頂推就位后，就將南北錨梁支架、7#臨時墩與頂推平臺拆除，只保留體系轉(zhuǎn)換過程中所需最小數(shù)量的臨時支撐體系。

在吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，通過對主索鞍頂推方式、壓重時機(jī)的優(yōu)化，最終在15 ～ 17階段逐步實現(xiàn)臨時支撐體系的全部脫離，在相應(yīng)的施工階段，安排進(jìn)行相應(yīng)的脫空的臨時墩的拆除工作。臨時支撐體系的反力見表12。

表12 臨時支撐體系的反力

五、結(jié)論

大跨自錨式懸索橋的吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換，首先需要確定成橋目標(biāo)狀態(tài)，并選擇合理的吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換順序。

施工過程中，要保證加勁梁、主纜、主塔、吊桿應(yīng)力及位移在允許范圍；要避免吊桿垂度變化與索道管的擦碰。吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換過程中，采用成橋狀態(tài)吊桿的無應(yīng)力長度控制，能大幅簡化體系轉(zhuǎn)換過程，并實現(xiàn)成橋線形。對吊桿尤其是跨中吊桿，在采用無應(yīng)力長度控制的同時，應(yīng)校核其張拉力，控制其張拉力在允許范圍。吊桿張拉過程中，應(yīng)合理設(shè)置主索鞍的頂推次數(shù)，使主塔應(yīng)力可控。同時也要滿足臨時墩逐步退出工作，避免用強(qiáng)制措施拆除。

目前，桃花峪黃河大橋主橋工程正在緊張進(jìn)行主纜架設(shè)工作，對吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行提前探討，可以更好地指導(dǎo)實際工程施工，同時也為同類型橋梁施工積累了經(jīng)驗。