南京小龍灣混凝土自錨式懸索橋吊索張拉過程研究

史松磊

(南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,江蘇南京 210008)

南京小龍灣混凝土自錨式懸索橋吊索張拉過程研究

史松磊

(南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,江蘇南京 210008)

不同于地錨式懸索橋,自錨式懸索橋先梁后纜的施工方式,使其張拉過程具有顯著的可優(yōu)化性。依托小龍灣自錨式懸索橋工程實(shí)例,對(duì)自錨式懸索橋張拉過程控制原則、控制目標(biāo)進(jìn)行了分析,在滿足橋梁結(jié)構(gòu)受力安全的前提下,盡量減少接長(zhǎng)桿數(shù)量、索鞍頂推次數(shù)、千斤頂數(shù)量和張拉批次,以較少的人力物力財(cái)力和時(shí)間來完成吊索張拉方案。建立有限元模型,模擬分析小龍灣大橋張拉全過程,根據(jù)吊索張拉安全系數(shù)、橋塔及加勁梁允許最大壓應(yīng)力、最小拉應(yīng)力等指標(biāo),提出適用于該橋的張拉控制方案。對(duì)比分析了成橋狀態(tài)與張拉過程中吊索的最大索力,發(fā)現(xiàn)在跨中14～16號(hào)吊索索力較成橋狀態(tài)索力有所增加,但均能滿足張拉過程吊索安全要求。對(duì)吊索張拉過程中橋塔及加勁梁的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié),發(fā)現(xiàn)在張拉14～17號(hào)吊索時(shí),橋塔、加勁梁等混凝土構(gòu)件應(yīng)力發(fā)生顯著變化。

自錨式懸索橋；吊索張拉；有限元分析；全過程分析；施工控制

0 引言

自錨式懸索橋具有景觀性強(qiáng)、不需要修建大體積錨碇、受地質(zhì)條件限制小、橋型可結(jié)合地形靈活布置、主纜水平力可為混凝土加勁梁提供壓應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn),在中小跨徑橋梁方案比選中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,近年得到了較快的發(fā)展。

地錨式懸索橋梁一般先安裝吊索,梁段一般從跨中向兩端逐段拼裝,已安裝好的梁段會(huì)隨著主纜變形,吊索力的大小基本與其承擔(dān)的梁段重量相等,隨其它梁段的吊裝變化不大,吊索的長(zhǎng)度基本不變,全橋梁段合攏后及二期恒載施加,一般不對(duì)吊索索力進(jìn)行調(diào)整。

與地錨式懸索橋不同,自錨式懸索橋一般采用先梁后纜的施工方式,加勁梁先在支架現(xiàn)澆,現(xiàn)澆完成后的位置與成橋狀態(tài)位置基本一致,而成橋主纜與空纜狀態(tài)相差很大,一般空纜會(huì)上浮1～2 m,因此按照成橋狀態(tài)下料制作的吊索長(zhǎng)度多數(shù)小于空纜狀態(tài)時(shí)索夾至加勁梁錨點(diǎn)的長(zhǎng)度,吊索張拉施工時(shí),需用接長(zhǎng)桿接長(zhǎng)吊索。吊索張拉過程中,考慮到加勁梁的承載能力、橋塔的承載能力、吊索的允許承載力以及施工過程中的張拉設(shè)備的數(shù)量等因素影響,張拉一般需要分批次逐步張拉,以確保張拉過程中加勁梁、橋塔、吊索的安全。但為了減少時(shí)間、人力及財(cái)力的消耗,在滿足橋塔、加勁梁、吊索等構(gòu)件安全的情況下,一般應(yīng)盡量減少吊索的張拉次數(shù),使吊索拉力盡早達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

1 工程背景

1.1 主橋總體布置

主橋采用雙塔雙索面自錨式懸索橋,跨徑組合為44 m+96 m+44 m=184 m,道路與現(xiàn)狀河道斜交,斜交角度為5°,橋梁為正橋。主橋主塔總高為35.4 m,橋面以上塔高22.6 m,主纜成橋線形采用二次拋物線,中跨矢跨比為1/5.5,主纜橫橋向中心距18 m。加勁梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,梁高1.74～2.0 m。吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為5 m,箱梁每5 m設(shè)置一橫梁與吊索對(duì)應(yīng)。主塔基礎(chǔ)采用直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。

主橋橋面為雙向4車道,并設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道及人行道,其斷面布置為：3.5 m(人行道含欄桿)+ 3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+2.5 m(側(cè)分帶)+15.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+2.5 m(側(cè)分帶)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+3.5 m(人行道含欄桿)=34.5 m。

橋梁縱坡為2.82%的對(duì)稱坡,變坡點(diǎn)位于主橋跨中,設(shè)置R=1 350 m豎曲線；橋面橫坡為1.5%,通過調(diào)整主梁高度來實(shí)現(xiàn),道路中心線處主梁高2.0 m。圖1為橋梁總體布置及吊桿編號(hào)圖。

圖1 橋梁總體布置及吊桿編號(hào)圖(單位:m)

1.2 主纜

主纜采用對(duì)稱布置,成橋狀態(tài)下主跨跨度96 m,矢跨比為1/5.5,邊跨矢跨比為1/14.8,兩主纜纜心橫向間距為18 m；設(shè)計(jì)采用每根主纜由37股預(yù)制平行(PPWS)鋼絲成品索組成,每股成品索由91絲φ5.1 mm的鋼絲組成,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 670 MPa。主纜在架設(shè)時(shí)豎向排列成尖頂?shù)慕普呅?緊纜后主纜為圓形。其在索夾內(nèi)直徑為326.8 mm (空隙率18%),索夾外直徑為330.9 mm(空隙率20%)。

1.3 吊索

全橋吊索共33對(duì)66根,兩邊跨各7對(duì),主跨19對(duì),吊索標(biāo)準(zhǔn)間距5 m,主塔兩側(cè)吊索距塔軸線3 m。吊索采用單根109絲φ7.1 mm高強(qiáng)鍍鋅鋼絲組成的成品鋼絲索(帶PE護(hù)套),冷鑄錨錨固體系。吊索與索夾采用耳板銷接,下端與梁體用冷鑄錨錨固于橫梁底部,張拉端設(shè)在箱梁底部。吊索在與主梁結(jié)合處設(shè)置防水罩,預(yù)埋導(dǎo)管內(nèi)涂抹防腐油脂,下錨頭加保護(hù)蓋板并注入防腐油脂,并在索管內(nèi)注入聚氨酯發(fā)泡材料。

2 吊桿張拉方案設(shè)計(jì)

2.1 張拉控制方案原則與控制條件

由于受各種因素的制約,吊索張拉不可能一次完成。在吊索張拉過程中,需要對(duì)長(zhǎng)度不足的吊索進(jìn)行接長(zhǎng),并根據(jù)張拉過程,不斷對(duì)橋塔索鞍鞍座進(jìn)行頂推,以減小橋塔受力。不同的張拉方案對(duì)所需接長(zhǎng)桿數(shù)量、索鞍頂推次數(shù)、千斤頂數(shù)量各不相同。在滿足橋梁結(jié)構(gòu)受力安全的前提下,盡量減少接長(zhǎng)桿數(shù)量、索鞍頂推次數(shù)、千斤頂數(shù)量、張拉批次,以較少的人力物力財(cái)力和時(shí)間來完成吊索張拉方案,是張拉控制方案設(shè)計(jì)的根本原則。

對(duì)于小龍灣大橋,吊桿張拉過程中,為滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全,應(yīng)滿足以下條件：

(1)盡量減少?gòu)埨?縮短張拉工期；

(2)吊索安全系數(shù)2.0；

(3)橋塔最大拉應(yīng)力應(yīng)小于1.3 MPa,最大壓應(yīng)力應(yīng)小于14.72 MPa；

(4)加勁梁最大拉應(yīng)力應(yīng)小于1.3 MPa,最大壓應(yīng)力應(yīng)小于17.92 MPa。

2.2 張拉方案

為盡量減少接長(zhǎng)桿數(shù)量和長(zhǎng)度,根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,在橋梁空纜狀態(tài)下,對(duì)索鞍向邊跨放向進(jìn)行預(yù)偏,邊跨吊索長(zhǎng)度均能滿足安裝戴帽要求?？梢韵韧瓿蛇吙?～7號(hào)吊索戴帽,在中跨張拉時(shí),采用從橋塔向跨中對(duì)稱張拉順序方案。根據(jù)計(jì)算,若安裝吊索無應(yīng)力長(zhǎng)度一次張拉到位,吊桿在張拉過程中最大應(yīng)力如圖2,顯然吊索張拉中最大索力是成橋索力2倍,不滿足安全要求。根據(jù)吊索力的相鄰影響特點(diǎn),采用張拉吊索前后吊索同時(shí)分批張拉方案,具體如表1。

表1 吊索張拉順序方案表

3 吊桿張拉過程模擬

采用有限元軟件Midas Civil建立全橋有限元模型,模擬張拉全過程。橋塔、加勁梁采用梁?jiǎn)卧M,主纜、吊索采用大變形索單元模擬,全橋共210個(gè)單元,共217個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2。

圖2 橋梁有限元模型圖

4 張拉過程分析

4.1 吊桿張拉力對(duì)比

從圖3吊桿張拉力對(duì)比圖中可以看出,成橋狀態(tài)下,吊索索力比較均勻,只是橋塔兩側(cè)7號(hào)、8號(hào)吊桿索力稍大,索力均在1 779～2 194 kN之間。吊索張拉過程中,1-13號(hào)、17號(hào)吊索最大索力與成橋狀態(tài)索力基本一致,14～16號(hào)吊索最大索力分別為2 801 kN、2 930 kN、2 187 kN，是成橋狀態(tài)索力的1.42倍、1.48倍、1.1倍,但吊索索力安全系數(shù)均大于2,滿足施工階段吊索安全要求。

圖3 吊索索力對(duì)比圖

4.2 橋塔、加勁梁最不利應(yīng)力

從圖4橋塔塔底最不利應(yīng)力圖中可以看出,在張拉階段1～7中,塔底應(yīng)力變化較小,說明在1～13號(hào)吊索張拉過程中,吊索索力均較??；在張拉階段8～17中,隨著14～17號(hào)吊索的張拉,塔底索力迅速增加,最大應(yīng)力為14.34 MPa(壓應(yīng)力),滿足安全要求；隨著索鞍的不斷頂推,塔底應(yīng)力逐漸減小,最終塔底最大應(yīng)力為12.31 MPa(壓應(yīng)力)。在張拉階段1～9中,橋塔塔底會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大為-1.16 MPa,滿足安全要求。

圖4 橋塔塔底最不利應(yīng)力

從圖5中可以看出,在張拉階段1～8中,加勁梁最大應(yīng)力、最小應(yīng)力均變化較小,最大應(yīng)力為0.4 MPa(壓應(yīng)力),最小應(yīng)力為-0.17(拉應(yīng)力),均能滿足要求；在張拉階段9～17中,隨著14～17號(hào)吊索的相繼張拉,主纜拉力迅速增大,其在水平方向產(chǎn)生的分力使加勁梁壓應(yīng)力迅速增加,且最大應(yīng)力與最小應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且相差較小,說明加勁梁壓應(yīng)力較為均勻,張拉過程中加勁梁最大應(yīng)力為3.19 MPa(壓應(yīng)力),滿足安全要求。

圖5 加勁梁最不利應(yīng)力

5 結(jié)語(yǔ)

懸索橋張拉過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性過程,根據(jù)有限元分析結(jié)果,合理制定張拉方案,可以有效減少?gòu)埨?、接長(zhǎng)桿、人力及工期的消耗。根據(jù)小龍灣橋的特點(diǎn),根據(jù)有限元分析結(jié)論制定張拉方案,整個(gè)張拉過程只需4次索鞍頂推,1～13號(hào)吊索可以直接完成安裝戴帽或張拉戴帽,只有14～17號(hào)吊索需要接長(zhǎng)桿。與同類型自錨式懸索橋相比,整個(gè)張拉過程中索鞍頂推次數(shù)和吊桿使用數(shù)量都比較合理。

吊索張拉過程中嚴(yán)格遵守張拉原則,使吊索拉力安全系數(shù)大于2.0,保證了吊索在張拉過程中的安全；橋塔、加勁梁滿足最大壓應(yīng)力、最小拉應(yīng)力要求,避免了施工過程中橋塔、加勁梁等混凝土構(gòu)件出現(xiàn)開裂、壓壞等情況。

［1］ 張哲.混凝土自錨式懸索橋［M］.北京：人民交通出版社,2005.

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U448.25

B

1009-7716(2015)09-0104-03

2015-04-21

史松磊(1983-),男,山東臨沂人,碩士,工程師,主要從事道路與橋梁設(shè)計(jì)研究工作。