三塔自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋吊索的優(yōu)化設(shè)計

陳運(yùn)祥

摘要：為了確定三塔自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋最優(yōu)吊索方案，按照吊索張拉原則，提出了四套吊索張拉方案，并對該四套方案進(jìn)行優(yōu)化對比，提出最優(yōu)方案；為以后同類橋梁設(shè)計及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三塔自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋吊索優(yōu)化理論依據(jù)、

Optimization design of?three tower?of self anchored?cable-stayed suspension bridge?sling

Abstract:In order to determine the?optimal?design?of selfanchored cable?stayed?suspension bridge?slingscheme,in accordance with the?sling tension?principle,Put forward four sets of?suspender tensioning?scheme,And the?four?set of?program to optimize the?comparison,?put forward the optimum?plan;?to provide theoretical basis for?similar?bridge design?and application.

Key words:Three tower?of self anchored?cable-stayed suspension bridge;sling optimization; Theoretical basis

中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1、引言

三塔自錨式斜拉懸索協(xié)作體系橋是一種新型的纜索承重橋梁，由主纜、斜拉索、吊桿、加勁梁、主塔、副塔及基礎(chǔ)等幾個主要部分組成。纜索在恒載作用下具有很大的初始張拉力，對后續(xù)結(jié)構(gòu)形狀提供強(qiáng)大的“重力剛度”，這是加勁梁高跨比得以減小的根本原因。三塔斜拉-自錨式懸索組合體系橋的加勁梁、橋塔還承受主纜和斜拉索傳來的巨大的軸向壓力，加勁梁和橋塔在恒載作用下，以軸向受壓為主，在活載作用下，以壓彎為主，因此在結(jié)構(gòu)分析時要計入壓彎耦合效應(yīng)影響。說明該類橋梁結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，技術(shù)難度大。關(guān)鍵的問題是以主塔為中心的斜拉橋部分和兩個以副塔為中心的斜拉-自錨式懸索橋部分的獨(dú)立成橋狀態(tài)的確定。因此，有必要對以上部分的吊索張拉工藝進(jìn)行探討，以確定最優(yōu)施工方案。

針對上述問題，本文基于陜西某三塔斜拉-自錨式懸索組合體系橋，對此類新型橋梁進(jìn)行體系優(yōu)化研究，提出了四套吊索張拉方案，并對該四套方案進(jìn)行對比，提出最優(yōu)施工方案；為今后同類橋梁設(shè)計及推廣應(yīng)用提供理論借鑒和參考。

2、橋梁工程概況

主橋?yàn)槿崩?自錨式懸索協(xié)作體系橋，分為斜拉索體系段與斜拉-自錨式懸索結(jié)合體系段。主塔為鋼筋混凝土H型塔，采用塔梁墩固結(jié)形式。副塔為鋼箱混凝土拱型塔，采用塔墩固結(jié)，塔梁分離結(jié)構(gòu)形式。主橋跨徑組合為：25m（邊跨自錨段）+90m（懸索段）+2×162.5m（斜拉索區(qū)段）+90m（懸索段）+25m（邊跨自錨段）＝555m。邊、中跨比為0.55。主梁縱向設(shè)置雙向1.5%縱坡，在橋梁主塔處設(shè)置R＝3000m的豎曲線。橋梁總寬度為40m，雙向6車道，單車道寬度為3. 75 m，機(jī)動車道總寬度為23.5m。主橋兩側(cè)索區(qū)隔離帶寬各2.5m，非機(jī)動車道寬各3.5m，人行道寬各2.25m?？傮w布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置示意（單位：cm）

3、橋梁結(jié)構(gòu)模型

本橋采用了脊骨梁模型，主梁采用MIDAS/Civil軟件中的三維梁單元來模擬；斜拉索、背索采用桁架單元來模擬，初始幾何剛度采用賦值初拉力的方式實(shí)現(xiàn)；橋塔、橋墩等均用空間梁單元進(jìn)行模擬，基礎(chǔ)代之以固定支座模擬；懸索主纜采用只受拉單元中的索單元，斜拉索及吊桿采用桁架單元；主梁及橋塔模擬為梁單元，全橋共劃分節(jié)點(diǎn)941個，單元947個。其中梁單元707個，桁架單元240個。全橋結(jié)構(gòu)計算模型及單元離散如圖2所示。其中主纜各點(diǎn)位置編號及坐標(biāo)系如圖3所示。

圖2 全橋計算模型示意

圖3主纜各點(diǎn)編號及坐標(biāo)系示意

4、橋梁結(jié)構(gòu)吊索

4.1 吊索張拉的原則

（1）吊索索力

斜拉索索力安全系數(shù)按2.5控制，即σ<[σ]=744 MPa。懸索主纜、斜吊桿、背索索力安全系數(shù)按2.5控制，即σ<[σ]=668 MPa。

（2）副塔塔頂水平變位

副塔應(yīng)力通過副塔塔頂水平變?yōu)榭刂?，索塔水平位移控制在?0mm。

（3）加勁梁應(yīng)力

加勁梁采用滿堂支架施工，吊索張拉過程中鋼混結(jié)合加勁梁處鋼箱梁部分應(yīng)力不超過容許值[σ]=210 MPa?；炷良觿帕赫孛鎽?yīng)力最大壓應(yīng)力不超過容許值[σ]=18.14 MPa, 最大拉應(yīng)力不超過容許值[σ]=1.48 MPa。鋼混結(jié)合加勁梁處鋼箱梁部分應(yīng)力不超過容許值[σ]=210 MPa

4.2 懸索橋吊索張拉方案

按照以上確定的吊索張拉原則，在結(jié)構(gòu)分析計算過程中，提出了四套吊索張拉方案，以下對該四套方案進(jìn)行對比。各方案詳細(xì)過程如表1至4所示。

表1懸索段吊索張拉步驟表（方案一）

施工

階段 施工步驟 施工內(nèi)容

吊索張拉前 0 副塔施工完畢，加勁梁安裝完畢

1 安裝主纜，調(diào)整分錨索力使主纜至空纜線形

2 加主纜索夾

3 XXM3張拉至1484.94kN

4 XXM2張拉至1384.08kN

5 XXM4張拉至1286.01kN

6 XXM1張拉至1200.00kN

7 XXM5張拉至1186.87kN

8 DM12、DM13、DM14、DM15、DM16、DM17張拉到位

9 XXM3張拉至4448.55kN

10 XXM2張拉至4605.71kN

11 DM8、DM9、DM10、DM11、DM18、DM19張拉到位

12 XXM4張拉至5139.35kN

13 XXM1張拉至5052.96kN

14 XXM5張拉至4436.84kN

15 DM6、DM7、DM20、DM21張拉到位

16 DM4、DM5、DM22、DM23張拉到位

17 DM3、DM2、DM1張拉到位

18 XXM5張拉至5861.67kN

19 XXM4張拉至6305.86kN

20 XXM3張拉至 6555.23kN

21 XXM2張拉至6450.26kN

22 XXM1張拉至6262.93kN

23 拆除臨時支撐，懸索段獨(dú)立成橋

表2懸索段吊索張拉步驟表（方案二）

施工

階段 施工步驟 施工內(nèi)容 備注

吊索張拉前 0 副塔施工完畢，加勁梁安裝完畢

吊索張拉過程 1 安裝5根背索，使背索不受力

2 安裝主纜，調(diào)整分錨索力使主纜至空纜線形

3 加主纜索夾

4 DM12、DM13張拉到位 第1次張拉吊索

5 調(diào)背索索力到理論值 第1次調(diào)整背索

6 DM14、DM15張拉到位 第2次張拉吊索

7 XXM3張拉至4675.5kN 第2次調(diào)整背索

8 XXM2張拉至4136.2kN

9 XXM4張拉至3727.8kN

10 XXM1張拉至4046.7kN

11 XXM5張拉至2837.1kN，再調(diào)整其余背索索力到理論值

12 DM10、DM11、DM16、DM17張拉到位 第3次張拉吊索

13 DM8、DM9、DM18、DM19張拉到位 第4次張拉吊索

14 XXM3張拉至6498.6kN 第3次調(diào)整背索

15 XXM2張拉至5754.5kN

16 XXM4張拉至5127.7kN

17 XXM1張拉至5536.8kN

18 XXM5張拉至3762.4kN，再調(diào)整其余背索索力達(dá)到理論值

19 DM6、DM7、DM20、DM21張拉到位 第5次張拉吊索

20 DM4、DM5、DM22、DM23張拉到位 第6次張拉吊索

21 XXM5張拉至4803.6kN 第4次調(diào)整背索

22 XXM4張拉至 5217.6kN

23 XXM3張拉至 5690.4kN

24 DM3張拉到位

25 DM2張拉到位

26 DM1張拉到位 第7次張拉吊索

27 XXM2張拉至6080.9kN 第8次張拉吊索

28 XXM1張拉至5948.9kN 第9次張拉吊索

29 拆除臨時支撐，懸索段獨(dú)立成橋

表3懸索段吊索張拉步驟表（方案三）

施工

階段 施工步驟 施工內(nèi)容 備注

吊索張拉前 0 副塔施工完畢，加勁梁安裝完畢

吊索張拉過程 1 安裝5根背索，使背索不受力

2 安裝主纜，調(diào)整分錨索力使主纜至空纜線形

3 加主纜索夾

4 DM23、DM22張拉到位 第1次張拉吊索

5 調(diào)背索索力到理論值 第1次調(diào)整背索

6 DM21、DM20張拉到位 第2次張拉吊索

7 XXM3張拉至4675.5kN 第2次調(diào)整背索

8 XXM2張拉至4136.2kN

9 XXM4張拉至3727.8kN

10 XXM1張拉至4046.7kN

11 XXM5張拉至2837.1kN，再調(diào)整其余背索索力到理論值

12 DM19、DM18、DM17、DM16張拉到位 第3次張拉吊索

13 DM15、DM14、DM13、DM12張拉到位 第4次張拉吊索

14 XXM3張拉至6498.6kN 第3次調(diào)整背索

15 XXM2張拉至5754.5kN

16 XXM4張拉至5127.7kN

17 XXM1張拉至5536.8kN

18 XXM5張拉至3762.4kN，再調(diào)整其余背索索力達(dá)到理論值

19 DM11、DM10、DM9、DM8張拉到位 第5次張拉吊索

20 DM7、DM6、DM5、DM4張拉到位 第6次張拉吊索

21 XXM5張拉至4803.6kN 第4次調(diào)整背索

22 XXM4張拉至 5217.6kN

23 XXM3張拉至 5690.4kN

24 DM3張拉到位

25 DM2張拉到位

26 DM1張拉到位 第7次張拉吊索

27 XXM2張拉至6080.9kN 第8次張拉吊索

28 XXM1張拉至5948.9kN 第9次張拉吊索

29 拆除臨時支撐，懸索段獨(dú)立成橋

表4懸索段吊索張拉步驟表（方案四）

施工

階段 施工步驟 施工內(nèi)容 備注

吊索張拉前 0 副塔施工完畢，加勁梁安裝完畢

吊索張拉過程 1 安裝5根背索，使背索不受力

2 安裝主纜，調(diào)整分錨索力使主纜至空纜線形

3 加主纜索夾

4 DM1張拉到位 第1次張拉吊索

5 DM2張拉到位 第1次調(diào)整背索

6 DM3張拉到位 第2次張拉吊索

7 DM4、DM5張拉到位 第2次調(diào)整背索

8 調(diào)背索索力到理論值

9 DM6、DM7張拉到位

10 XXM3張拉至4675.5kN

11 XXM2張拉至4136.2kN

12 XXM4張拉至3727.8kN 第3次張拉吊索

13 XXM1張拉至4046.7kN 第4次張拉吊索

14 XXM5張拉至2837.1kN，再調(diào)整其余背索索力到理論值 第3次調(diào)整背索

15 DM8、DM9、DM10、DM11張拉到位

16 DM12、DM13、DM14、DM15張拉到位

17 XXM3張拉至6498.6kN

18 XXM2張拉至5754.5kN

19 XXM4張拉至5127.7kN 第5次張拉吊索

20 XXM1張拉至5536.8kN 第6次張拉吊索

21 XXM5張拉至3762.4kN，再調(diào)整其余背索索力達(dá)到理論值 第4次調(diào)整背索

22 DM16、DM17、DM18、DM19張拉到位

23 DM20、DM21、DM22、DM23張拉到位

24 XXM5張拉至4803.6kN

25 XXM4張拉至 5217.6kN

26 XXM3張拉至 5690.4kN 第7次張拉吊索

27 XXM2張拉至6080.9kN 第8次張拉吊索

28 XXM1張拉至5948.9kN 第9次張拉吊索

29 拆除臨時支撐，懸索段獨(dú)立成橋

將以上四種吊索張拉方案的施工過程中塔頂?shù)乃阶兾焕L制在同一圖形中，得到副塔塔頂水平變位隨施工階段的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可見，不同吊索張拉方案中，副塔塔頂水平變位在施工過程中的變化和波動均較大，最大水平變位可以達(dá)到43mm。隨著吊索張拉過程的發(fā)展，后期均逐漸回歸至零值附近。

同理，將四種吊索張拉方案在施工過程中梁端散索套的豎向變位繪制在同一圖形中，可以得到梁端散索套的豎向變位隨不同施工階段的變化規(guī)律如圖6所示

圖5各施工階段副塔塔頂水平位移對比圖6各施工階段梁端散索套豎向位移對比

通過對以上四種吊索張拉方案的對比分析，可得如下結(jié)論：

（1）不同吊索張拉方案中，副塔塔頂水平變位在施工過程中的變化和波動均較大，最大水平變位可以達(dá)到43mm（方案二）；梁端散索套豎向位移在施工過程中的變化和波動也較大，最大豎向位移接近500mm（方案三）。隨著吊索逐漸張拉完成，副塔水平變位和梁端散索套豎向位移逐漸回歸至零值附近。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)抗力計算結(jié)果和控制要求，主要副塔水平位移控制在±50mm以內(nèi)，均能滿足吊索張拉方案的要求。因此，從副塔控制指標(biāo)來看，以上四種吊索張拉方案均滿足要求。

（3）相對于從中間向兩側(cè)張拉（方案二），從單側(cè)張拉的方案（方案三）在施工過程中會有部分斜吊桿應(yīng)力達(dá)到781MPa，大于2.5的安全系數(shù)，不滿足吊索張拉方案的要求。

綜合以上分析，確定方案二為推薦方案。

5、結(jié)論

通過對上述優(yōu)化后的吊索張拉方案進(jìn)行詳細(xì)的計算與分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）懸索段斜吊桿采用無應(yīng)力索長的控制方法，一次張拉至理論值即可，不用多次重復(fù)張拉。

（2）在施工過程中，為了控制副塔的變形，采用對背索多次張拉的方案，能夠顯著減小副塔水平變位。

（3）在張拉過程中，斜吊桿的最不利受力狀態(tài)發(fā)生在第20施工階段，此時，XXM3張拉至 6555.23kN。斜吊桿最大應(yīng)力σ=491MPa<[σ]=668 MPa，滿足施工過程中的控制原則。

（4）斜吊桿張拉初期應(yīng)力較大，隨著張拉過程的進(jìn)行，斜吊桿的受力逐漸優(yōu)化，安全儲備越來越大。

（5）副塔塔頂?shù)乃阶兾蛔罱K控制在-45mm—+20mm之間，滿足施工控制的原則和要求。

（6）在施工過程中，由于主梁采用滿堂支架施工，所以受力合理，滿足要求。主梁受力最不利階段發(fā)生在拆除支架以后，混凝土加勁梁正截面最大壓應(yīng)力發(fā)生在錨跨跨中，此時最大壓應(yīng)力σ=7.7MPa＜[σ]=18.14 MPa, 最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在合攏接口處，σ=0.2MPa＜[σ]=1.48 MPa。鋼混結(jié)合加勁梁處鋼箱梁部分最大應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土主梁與鋼混結(jié)合段交界處，σ=74.7MPa ＜[σ]=210 MPa，滿足規(guī)范要求。

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