不對稱轉(zhuǎn)體施工鋼箱梁獨(dú)塔斜拉橋合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)構(gòu)思與實(shí)現(xiàn)

曾甲華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

不對稱轉(zhuǎn)體施工鋼箱梁獨(dú)塔斜拉橋合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)構(gòu)思與實(shí)現(xiàn)

曾甲華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要采用轉(zhuǎn)體施工的大跨度不對稱獨(dú)塔斜拉橋，具有轉(zhuǎn)體噸位大、轉(zhuǎn)體伸臂長、轉(zhuǎn)體梁重不平衡、轉(zhuǎn)盤以上結(jié)構(gòu)較高等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)體施工是其控制性風(fēng)險(xiǎn)因素。文中依托龍巖大橋，針對不對稱轉(zhuǎn)體施工獨(dú)塔斜拉橋，構(gòu)思了適用于該類橋式的合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)和優(yōu)化思路；基于非線性空間有限元手段，采用非線性影響矩陣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了龍巖大橋轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)的優(yōu)化，為該類橋式大噸位轉(zhuǎn)體施工的順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞鋼箱梁獨(dú)塔斜拉橋轉(zhuǎn)體施工不對稱孔跨

采用轉(zhuǎn)體施工的大跨度不對稱獨(dú)塔斜拉橋，具有轉(zhuǎn)體噸位大、轉(zhuǎn)體伸臂長、轉(zhuǎn)體梁重不平衡、轉(zhuǎn)盤以上結(jié)構(gòu)較高等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)體施工是其控制性風(fēng)險(xiǎn)因素，優(yōu)化確定合理的轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)甚為關(guān)鍵。本文以龍巖大橋?yàn)橐劳校瑯?gòu)思了適用于該類橋式的合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)，并以此為目標(biāo)，基于非線性空間有限元手段，采用非線性影響矩陣優(yōu)化、施工控制和偏差施工等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了龍巖大橋合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)的優(yōu)化。

1工程概況

龍巖大道位于龍巖市中心城區(qū)，是龍巖市“一軸二環(huán)三縱四橫”快速道路系統(tǒng)中南北向交通中心軸和景觀軸。龍巖大橋?yàn)辇垘r大道高架橋工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和控制性工程，其以平面小角度(28.7°)連續(xù)跨越漳龍鐵路、龍廈鐵路、在建龍巖站牽出線、羅龍路、龍津河及雙洋路。

龍巖大橋?yàn)?90 m+150 m獨(dú)塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，采用半漂浮體系[1]。全橋總體布置見圖1。

圖1龍巖大橋總體布置(單位：m)

塔梁間設(shè)置有縱向彈性拉索，以限制在活載及風(fēng)載作用下的縱向漂移、減小梁縫規(guī)模和梁端伸縮量，同時在索塔下橫梁主跨側(cè)布置有2臺縱向阻尼裝置以提高整體結(jié)構(gòu)的阻尼比，抑制急變荷載(如地震、脈動風(fēng)、汽車制動等)的動力響應(yīng)，并減小縱向拉索疲勞應(yīng)力幅[2]。

索塔采用花瓶形混凝土結(jié)構(gòu)。地面以上塔高116 m。主梁采用正交異性板扁平流線形鋼箱梁，主梁中心線梁高3.0 m，鋼箱梁含風(fēng)嘴全寬36.3 m，不含風(fēng)嘴全寬32.48 m。

拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，包括塔梁間縱向彈性拉索和斜拉索。其中，斜拉索采用空間雙索面扇形布置，全橋共44根(22對)；在索塔處設(shè)置塔梁間縱向拉索4根(每側(cè)2根)。

主橋采用平面轉(zhuǎn)體施工法跨越既有鐵路，轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)置在承臺頂面，采用以球鉸中心支撐為主、環(huán)道支撐為輔的轉(zhuǎn)動體系。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)置在主塔塔柱底部，由轉(zhuǎn)盤、球鉸、撐腳、環(huán)形滑道、牽引系統(tǒng)、助推系統(tǒng)和臨時支撐及鎖定等部分組成[3]。轉(zhuǎn)體主梁懸臂長173.75 m，轉(zhuǎn)體主梁總長323.45 m，轉(zhuǎn)體總重量超2.5萬t，創(chuàng)造了最大轉(zhuǎn)體重量、最長轉(zhuǎn)體懸臂、最大轉(zhuǎn)體梁寬、轉(zhuǎn)體斜拉橋最大跨度等世界新紀(jì)錄[4-5]。

2合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)構(gòu)思

對于采用轉(zhuǎn)體施工的大跨度不對稱獨(dú)塔斜拉橋，由于主、次跨轉(zhuǎn)體懸臂長和重量均不等，在自重偏載作用下，主梁和索塔將繞轉(zhuǎn)動球鉸發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)動，并造成轉(zhuǎn)動球鉸偏位和鎖死，從而危及轉(zhuǎn)體施工安全。鑒于此，本文構(gòu)思了一種適用于不對稱獨(dú)塔斜拉橋平衡轉(zhuǎn)體狀態(tài)的優(yōu)化思路：主跨和次跨非壓重區(qū)的斜拉索，平衡其對應(yīng)的主梁節(jié)段恒載(包括自重和附加重量)；通過合理設(shè)置次跨端部壓重區(qū)壓重并調(diào)整壓重區(qū)斜拉索索力，實(shí)現(xiàn)塔直梁平和轉(zhuǎn)盤0偏角。

為保證轉(zhuǎn)體施工安全，轉(zhuǎn)體施工時的結(jié)構(gòu)狀態(tài)應(yīng)滿足以下3項(xiàng)要求：①塔直梁平，即塔豎直、無側(cè)向偏位，主梁平直、豎向位移較?。虎谵D(zhuǎn)盤頂面0轉(zhuǎn)角(嚴(yán)格控制在0.1°以內(nèi))；③次跨平衡配重量最小化，以減小轉(zhuǎn)體總重量。

3轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)

3.1　有限元模型

龍巖大橋總體靜力分析采用非線性空間有限元程序，以設(shè)計(jì)豎曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。轉(zhuǎn)體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型見圖2。

a)未顯示結(jié)構(gòu)輪廓

b)顯示結(jié)構(gòu)輪廓

圖2轉(zhuǎn)體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

建模分析過程中，對于主梁、主塔采用三維梁單元模擬。計(jì)算考慮斜拉索垂度效應(yīng)、主梁和索塔在顯著軸壓力作用下的P-Δ效應(yīng)、結(jié)構(gòu)大變形效應(yīng)等非線性影響，其中斜拉索采用只受拉多段桿單元模擬，以完全考慮垂度效應(yīng)和索端轉(zhuǎn)角的影響。

轉(zhuǎn)體施工邊界條件處理：轉(zhuǎn)體施工時，轉(zhuǎn)盤支撐按轉(zhuǎn)盤區(qū)域采用僅受壓群支座模擬，主梁與索塔下橫梁間臨時固結(jié)(鎖定)；樁-土相互作用以柔度矩陣的形式等代考慮。

3.2　計(jì)算結(jié)果

采用非線性影響矩陣優(yōu)化、施工控制和偏差施工等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了龍巖大橋合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)的優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)線形、結(jié)構(gòu)彎矩和索力分布見圖3～5。

圖3轉(zhuǎn)體施工結(jié)構(gòu)變形圖(單位：mm)

圖4轉(zhuǎn)體施工結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位：kN·m)

圖5轉(zhuǎn)體施工斜拉索索力圖(塔端，單位：kN)

為實(shí)現(xiàn)主橋平衡轉(zhuǎn)體施工，基于優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，次跨端橫隔板往索塔的27.55 m梁段范圍內(nèi)設(shè)置了轉(zhuǎn)體施工壓重。壓重分布范圍和大小見圖6。

圖6轉(zhuǎn)體施工階段次跨端部壓重

對優(yōu)化后的龍巖大橋轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)作分析評判如下：①索塔塔頂往次跨側(cè)偏移0.001 m，主梁主跨懸臂端豎向位移為0.025 m，次跨懸臂端豎向位移為-0.012 m，實(shí)現(xiàn)了“塔直梁平”的轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)要求；②基于索塔豎直、主梁平直的線形狀態(tài)，主梁和索塔彎矩亦均較小，轉(zhuǎn)體狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力狀況優(yōu)異；③轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角(繞橫橋向軸)為0.054°，轉(zhuǎn)盤對位狀態(tài)良好；④轉(zhuǎn)體施工時，次跨平衡配重量合計(jì)436.3 t，配重規(guī)模較小。

綜上可見，優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的龍巖大橋轉(zhuǎn)體施工平衡狀態(tài)較為合理，有利于保證該橋超大噸位轉(zhuǎn)體施工的順利安全實(shí)施。

4結(jié)語

本文依托龍巖大橋，構(gòu)思了適用于不對稱獨(dú)塔斜拉橋平衡轉(zhuǎn)體狀態(tài)的確定思路和優(yōu)化目標(biāo)，并基于非線性空間有限元手段，采用非線性影響矩陣優(yōu)化、施工控制和偏差施工等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了合理轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)的優(yōu)化技術(shù)，解決了不對稱獨(dú)塔斜拉橋平衡轉(zhuǎn)體施工的技術(shù)難題，為該類橋式的大噸位轉(zhuǎn)體施工的順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐，對類似工程具有參考和借鑒意義。龍巖大橋于2014年10月開工，預(yù)計(jì)2017年初建成通車。

參考文獻(xiàn)

[1]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.龍巖市龍巖大道高架橋工程龍巖大橋施工圖設(shè)計(jì)[Z].武漢: 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2014.

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[3]蔣紅衛(wèi)，鄭晨.跨滬寧高速公路大噸位鋼球鉸轉(zhuǎn)體施工工藝[J].世界橋梁，2011，39(5)：15-18.

[4]孫全勝，王立峰， 孫永存，等.萬噸級斜拉橋水平轉(zhuǎn)體施工監(jiān)測[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版， 2007，31(3)：400-403.

[5]王宏祥.大跨度斜拉橋水平轉(zhuǎn)動施工技術(shù)研究[D].石家莊：石家莊鐵道學(xué)院,2009.

Conception and Realization of Ideal Swivel Balanced State of Asymmetric Steel Box

Girder Single-pylon Cable-stayed Bridge Erected by Swivel Construction Technology

ZengJiahua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：With the characteristics of great swiveling weight, long swiveled cantilever, unbalanced swiveling girder weight and great structure height above the pile cap, the greatest risk factor is the whole process of swivel construction for the long-span single-pylon cable-stayed bridge erected by swivel construction technology. In this paper, based on the background of Longyan Bridge, an ideal swivel balanced state which is fit for asymmetric steel box girder single-pylon cable-stayed bridges is conceived, and also an optimization method is presented. The proposed swivel balanced state is realized by nonlinear three-dimensional finite element method and nonlinear influence matrix technique which ensures the smooth operation of large-tonnage swivel construction.

Key words:steel box girder; single-pylon cable-stayed bridge; swivel construction; asymmetric span arrangement

收稿日期：2015-01-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.003