節(jié)段拼裝施工的自錨式懸索橋施工定位控制分析

茍 圣， 鐘 波

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

自錨式懸索橋的主纜錨固在主梁上，通過加勁梁平衡自身受力，因此而決定了自錨式懸索橋 “先梁后纜”的施工順序，先架設(shè)主梁，后架設(shè)主纜，然后進(jìn)行吊索的安裝及張拉，完成了加勁梁自重由臨時支撐承擔(dān)通過吊桿轉(zhuǎn)換到由主纜承擔(dān)，主纜由空纜線形變化到成橋線形，實現(xiàn)了自錨式懸索橋體系的轉(zhuǎn)換[1]。在體系轉(zhuǎn)換成橋線形后，為與設(shè)計線形保持一致，達(dá)到受力均衡，在主梁安裝過程中，保證梁體初始狀態(tài)與設(shè)計成橋線形一致已成為自錨式懸索橋施工中既關(guān)鍵又復(fù)雜的工序，亦為自錨式懸索橋的一個施工控制難點[2]。

云龍灣大橋采用兩塔雙索面自錨式懸索橋，主橋主梁為縱橫梁鋼結(jié)構(gòu)體系，梁高3.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段全寬48.5 m，橋塔處梁體寬54.6 m。梁體的主要材質(zhì)為Q345D，主要為主縱梁(箱型梁)、普通中橫梁、端橫梁、錨固橫梁、塔橋結(jié)合處中橫梁組成的縱橫向梁格體系。橋面橫坡通過梁體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即通過腹板高度變化實現(xiàn)，以保持底板水平。鋼梁節(jié)段按照纜索區(qū)19.8 m長的鋼箱梁段和橋塔區(qū)15.2 m長的鋼箱梁段劃分節(jié)段。

2 施工具有的技術(shù)特點

2.1 施工定位影響因素分析

自錨式懸索橋采用“先梁后纜”的施工工藝：即首先利用支架搭設(shè)梁體成橋線性，梁體拼裝節(jié)段采用原位吊裝或拖拉滑移法安裝到位，直至全橋合攏后再進(jìn)行纜索施工。在主梁安裝過程中，由于以下因素使鋼梁定位線形控制、調(diào)整比較困難[3]：

(1)拖拉滑移過程中，支架局部受力集中，出現(xiàn)了支架沉降變形。

(2)主梁由拼裝狀態(tài)轉(zhuǎn)化為拖拉滑移狀態(tài)時，自身著力點轉(zhuǎn)變，受重力影響，鋼梁線形發(fā)生變化。

(3)節(jié)段拼裝及拖拉過程中受力不均，導(dǎo)致鋼梁結(jié)構(gòu)自身發(fā)生扭曲變形。

2.2 施工方案

云龍灣大橋根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采用支架架設(shè)法和頂推架設(shè)法相結(jié)合，主跨采用原位拼裝+拖拉滑移到位，邊跨采用原位吊裝拼裝。全橋在橋位處沿縱橋向設(shè)置通長的鋼梁臨時支撐結(jié)構(gòu)，并在主跨一側(cè)設(shè)置了24 m長的拼裝平臺，主跨內(nèi)的鋼梁利用吊機(jī)站在拼裝平臺兩側(cè)區(qū)域?qū)摿旱跹b至拼裝平臺上組裝，待鋼梁組裝完畢，利用拖拉滑移設(shè)備將鋼梁拖拉至設(shè)計橋位。

2.3 臨時支架體系

主跨北岸設(shè)置的拼裝平臺長度為24 m，滑移區(qū)約170 m，設(shè)置2條滑道；拼裝平臺、滑移支架及吊裝支架均為鋼管樁+貝雷梁結(jié)構(gòu)。

拼裝平臺施工區(qū)域內(nèi)臨時支架設(shè)置的拼裝平臺長24 m、寬43 m，在分配梁頂設(shè)置拼裝支點。拖拉滑移施工區(qū)域內(nèi)的支架采用單排4根立柱，兩兩組合，鋼管立柱縱向間距為12 m，跨中設(shè)置制動墩，分配梁頂設(shè)置縱向滑道，滑道采用三拼I56b型工字鋼。

原位吊裝施工區(qū)域內(nèi)的臨時支架為邊跨及輔跨區(qū)鋼梁原位吊裝施工，支架標(biāo)準(zhǔn)跨度為12 m，橫橋向設(shè)六根鋼管樁，對于箱型橫梁覆蓋區(qū)域，設(shè)置了三拼I56b型鋼分配梁。

3 分析模型的建立

3.1 橋梁初始線形的建立

主梁制造線形即現(xiàn)場拼裝線形，其以設(shè)計復(fù)核中建立的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計擬定的施工過程建立上部結(jié)構(gòu)施工過程計算機(jī)仿真分析系統(tǒng)，對主梁段的吊裝過程進(jìn)行計算，分析結(jié)構(gòu)在理論施工狀態(tài)下各階段的施工參數(shù)，以理論參數(shù)計算各施工階段的內(nèi)力、變形、監(jiān)控參考值，確定預(yù)防措施；預(yù)測結(jié)構(gòu)在各個階段的形狀[4]。

建立空間桿系模型，分析各工況下的受力情況(圖1)。懸索橋主梁采用梁單元進(jìn)行模型離散，主纜、吊索采用索單元，鞍座采用若干桿單元模擬[5]。

圖1 全橋空間桿系模型圖

成橋狀態(tài)主梁的內(nèi)力經(jīng)軟件受力分析出加勁梁的內(nèi)力及應(yīng)力包絡(luò)圖，根據(jù)主梁受力分析，在主梁成橋線形上使用支架替換纜索系統(tǒng)，可以得到鋼梁架設(shè)后的線形，再根據(jù)每節(jié)段主梁自重求出鋼梁變形量，兩者相加即為鋼箱粱的無應(yīng)力拼裝線性。

3.2 支架受力模型的建立

根據(jù)無應(yīng)力拼裝線性編制《云龍灣大橋主梁安裝方案》，建立了支架整體模型基頻圖(圖2)，對支架施加荷載組合。對于滑道梁和上橫向分配梁來說其最不利的荷載為滑塊移動荷載，溫度、恒載影響較小[6]。

圖2 支架整體模型基頻圖

滑道采用三拼I56b 工字鋼，滑道梁由間距為750 mm 的上橫向分配梁支撐。主要承受滑塊移動荷載和箱梁架設(shè)后的均布荷載。顯然，對于滑道梁來說，滑塊移動荷載將產(chǎn)生最不利的內(nèi)力。箱梁承受重力作用的最大變形量為滑塊處的沉降量。

3.3 單元件吊裝受力模型的建立

梁段在拼裝區(qū)橫橋向臨時支撐較多，拖拉滑移過程中及成橋后橫橋向只有分布在主縱梁處的兩道臨時支撐，受體系轉(zhuǎn)換過程中受力點的轉(zhuǎn)換，鋼梁會下擾。采用Midas建立不同支撐工況下的梁段模型(圖3)，計算出鋼梁吊裝及橫橋向跨中處的豎向受重力影響的下擾度，在加工及拼裝階段設(shè)置相應(yīng)的預(yù)拱度[6]。

圖3 梁段模型圖

4 施工過程控制

4.1 鋼梁定位控制

鋼梁節(jié)段通過滑移拖拉至設(shè)計位置后，用全站儀放出鋼梁的配切線；鋼箱精確配切完成后在每個滑塊兩側(cè)設(shè)置2臺豎向千斤頂和兩臺螺旋千斤頂進(jìn)行三維調(diào)整。根據(jù)鋼梁的偏位方向，利用豎向千斤頂調(diào)整標(biāo)高與縱向線型，利用水平千斤頂調(diào)整平面位置，直至鋼梁位置滿足設(shè)計要求。

在每個鋼梁節(jié)段架設(shè)完成后，調(diào)整梁的平面位置并臨時固定，確保每兩孔鋼梁之間的接頭偏差符合設(shè)計要求。每一節(jié)段鋼梁架設(shè)完成并調(diào)整到位后，進(jìn)行兩節(jié)段鋼梁的接縫焊接施工。

鋼梁在與上節(jié)段精準(zhǔn)對位完成后，將鋼梁節(jié)段落在滑道梁上的四個臨時支點，然后進(jìn)行鋼梁節(jié)段間的焊接施工。每架設(shè)、安裝完成一個節(jié)段的鋼梁均需對上節(jié)段和本節(jié)段的梁長、標(biāo)高、平面位置等進(jìn)行測量，并將測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，如有偏差則需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行糾偏處理。

對于鋼梁之間的環(huán)焊縫焊接，在梁段就位、固定并經(jīng)檢查合格后施焊。對于同一聯(lián)貝雷梁上的鋼梁節(jié)段，為保證成橋線形，在拖拉到位的情況下進(jìn)行拖拉到位梁段之間的焊接。

4.2 擾度預(yù)抬高控制

現(xiàn)場拼裝線形按照無應(yīng)力線形拼裝好后，在通過拼裝狀態(tài)轉(zhuǎn)化為拖拉滑移狀態(tài)時，鋼梁的底部線形由弧線變化為直線，即鋼箱梁的架設(shè)線形。

通過計算得到梁段自重下的變形，將該變形累加到無應(yīng)力拼裝線形上獲得到架設(shè)線形。在施工現(xiàn)場的拼裝場地上架設(shè)線形調(diào)節(jié)支架用以調(diào)節(jié)鋼管柱高度，將重力影響的變形量進(jìn)行預(yù)抬，以消除自重變形量。拼裝轉(zhuǎn)換線形變化情況見圖4。

圖4 拼裝轉(zhuǎn)換線形變化圖

4.3 拖拉滑移過程控制

鋼梁節(jié)段的牽引采用2臺穿芯式千斤頂同步進(jìn)行拖拉?；瑝K與鋼梁接觸部分的支墊使用厚橡膠板用以增加滑塊與鋼梁之間的摩擦力，保證滑塊與鋼梁之間不會產(chǎn)生相對滑移，并且避免了鋼梁滑移過程中因軋道不平整導(dǎo)致的鋼梁四點支撐變成三點支撐，可利用橡膠板等彈性壓縮量使鋼梁四點均勻受力。

千斤頂牽引鋼絞線帶動滑塊在軌道梁上將鋼梁向設(shè)計位置進(jìn)行滑移，因鋼梁滑移距離較遠(yuǎn)，如果因滑塊位置偏位或行進(jìn)速度不一，容易引起梁體變形、鋼梁整體脫落等。對于千斤頂和滑塊之間的鋼絞線，必須保證其在牽引時每根鋼絞線受力均勻，在拖拉過程中注意觀察鋼絞線的松緊程度并將其控制成一致，牽引時用拉力器進(jìn)行控制，將滑塊端的錨具、夾片打緊，防止?fàn)恳疲桓鶕?jù)拖拉牽引力的大小和千斤頂回歸方程計算油表讀數(shù)。監(jiān)控油表讀數(shù)，保證上下游牽引力一致，防止鋼梁滑移不同步。如果出現(xiàn)受力不一，必需及時檢查滑移體系。

5 結(jié) 語

筆者以云龍灣大橋為依托工程，基于鋼箱梁節(jié)段拼裝的施工方法，研究了施工計算及控制方法，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的仿真計算，并對施工控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，精確求得鋼箱梁初始施工狀態(tài)；根據(jù)節(jié)段拼裝+拖拉到位鋼箱梁施工方法的特點，包括鋼梁定位控制、現(xiàn)場拼裝控制、拖拉滑移階段進(jìn)行了詳細(xì)分析，對初始線形支架變形、自重著力點變形影響、鋼梁吊裝及拖拉的變形誤差等方面提出了計算及解決方案，精確控制了從拼裝、架設(shè)到變連續(xù)梁過程中鋼箱梁的線形，所取得的經(jīng)驗可為采用同類施工方法的施工提供借鑒和參考。