超大跨度懸索橋主梁架設(shè)順序研究

張海順

(1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.天津大學(xué) 天津 300072)

1 引言

在各種橋梁體系中，懸索橋以其征服大跨徑的能力和優(yōu)美的外形而著稱[1-2]。目前世界上已建成的最大跨度懸索橋是日本明石海峽大橋(1 991 m)，超1 500 m級(jí)的懸索橋還包括武漢楊泗港長(zhǎng)江公路大橋(1 700 m)、浙江舟山西堠門大橋(1 650 m)、丹麥大巴爾特大橋(1 624 m)、土耳其奧斯曼一世大橋(1 550 m)、韓國(guó)李舜臣大橋(1 545 m)[3-6]等，國(guó)內(nèi)在建的有虎門坭州水道橋(1 688 m)、深中通道伶仃洋大橋(1 666 m)、南京仙新路過(guò)江通道(1 760 m)等。

超大跨度懸索橋加勁梁的傳統(tǒng)架設(shè)方法按其推進(jìn)方式主要有兩種:一是從跨中節(jié)段開(kāi)始向兩側(cè)橋塔推進(jìn)，加勁梁在橋塔附近合龍；二是從橋塔節(jié)段開(kāi)始向跨中方向推進(jìn)，加勁梁在跨中合龍[7-10]。加勁梁的吊裝順序，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性、施工安全性、施工單位技術(shù)實(shí)力、人員及設(shè)備的配置、現(xiàn)場(chǎng)劃分、構(gòu)件的運(yùn)輸和氣象等各方面綜合判斷后來(lái)決定[11-12]。本文以某1 700 m跨度的懸索橋?yàn)槔?，進(jìn)行不同架設(shè)順序的分析。

2 工程概況

該主跨1 700 m懸索橋，主跨矢跨比為1/9。主橋總體布置如圖1所示(主纜節(jié)點(diǎn)編號(hào)在上，加勁梁梁段編號(hào)在下)。主纜采用PPWS法架設(shè)，主纜橫向布置兩根，間距為28.0 m，吊索縱向標(biāo)準(zhǔn)間距為18 m，每個(gè)吊點(diǎn)均設(shè)置2根吊索。吊索與索夾為騎跨式連接，與加勁鋼桁梁為銷接式連接。全橋加勁鋼桁梁采用板桁組合結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)加勁梁，加勁梁截面見(jiàn)圖2。共分為JJL1～JJL4四種類型，共49個(gè)梁段。主桁架為華倫式桁架結(jié)構(gòu)，主桁架的桁高為10 m，兩片主桁中心間距為28 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)為9 m。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

圖2 板桁組合結(jié)構(gòu)鋼桁梁斷面(單位:cm)

3 鋼桁梁架設(shè)方案及模型構(gòu)建

(1)兩種不同架設(shè)方案

方案一由跨中向橋塔架設(shè)，方案二由橋塔向跨中架設(shè)。每一個(gè)架梁步驟包括纜載吊機(jī)利用提升鋼絞線提梁起吊、吊索安裝就位受力、鋼桁梁上弦桿進(jìn)行鉸接三個(gè)子步驟。頂推次數(shù)為三次，頂推量分別為0.6 m、0.8 m、1.125 m。拋開(kāi)安裝設(shè)備和工期等因素，以懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的反應(yīng)為對(duì)比參數(shù)進(jìn)行方案比選。為方便比選，兩方案中兩鋼桁加勁梁梁段間的連接均為上弦桿鉸接、下弦桿和斜腹桿自由，待全部鋼桁梁架設(shè)完成后進(jìn)行順次剛接。表1為方案一的具體實(shí)施步驟，方案二架梁除首末過(guò)程相同，其余與之相反。梁段編號(hào)如圖1所示。

表1 方案一由跨中_至橋塔架設(shè)加勁梁步驟

(2)有限元模型的建立

采用簡(jiǎn)化平面結(jié)構(gòu)圖式進(jìn)行靜力分析，各構(gòu)件恒載包括加勁梁按28.5 t/m、主纜按11.3 t/m、吊索及索夾按0.8 t/m，二期恒載按10.5 t/m進(jìn)行計(jì)算，纜載吊機(jī)自重按464 t進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)錨碇處和橋塔塔底均設(shè)固定約束，塔梁交界處設(shè)豎向支撐、橫向限位約束，縱向設(shè)阻尼器。分析模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

4 架設(shè)順序方案比選

4.1 主纜標(biāo)高變化大小

不同加勁梁吊裝順序會(huì)引起不同的主纜線形標(biāo)高變化。在懸索橋加勁梁吊裝過(guò)程中，兩方案主跨節(jié)點(diǎn)的位移變化最值包絡(luò)圖如圖4所示(主纜豎向位移為相對(duì)于成橋狀態(tài)的位移)。對(duì)主纜選取了最為敏感的跨中節(jié)點(diǎn)49作為施工過(guò)程中的控制點(diǎn)。從圖4可以分析得出，方案一由跨中向橋塔架設(shè)的跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移最值范圍為-2.033 m～＋17.008 m，方案二由橋塔向跨中架設(shè)的跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移最值范圍為-5.641 m～＋29.945 m。

圖4 主跨跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移最值曲線

4.2 橋塔側(cè)主纜平切角大小

若架梁順序不合理，主纜在主索鞍處產(chǎn)生較大平切角，與主塔外緣發(fā)生接觸，會(huì)影響到主塔安全性和架梁施工過(guò)程。為避免出現(xiàn)此類現(xiàn)象，需要保證主纜與塔頂?shù)钠角薪遣荒艹^(guò)限值(見(jiàn)圖5)。

圖5 主纜平切角示意

圖6為兩種方案下橋塔跨中側(cè)主纜平切角變化情況。方案一呈先減小后增大趨勢(shì)，平切角小于成橋狀態(tài)，最大平切角為 24.05°，最小平切角為19.50°；方案二呈先增大后減小趨勢(shì)，平切角大于成橋狀態(tài)，最大平切角達(dá)28.28°，最小平切角為22.08°。兩方案的最大平切角均在纜載吊機(jī)的允許作業(yè)角度30°范圍內(nèi)，但為安全考慮，應(yīng)盡可能減小主纜平切角的大小。因此，方案一由跨中至橋塔架梁方案更優(yōu)。

圖6 主纜平切角變化曲線

4.3 主纜與橋塔邊凈距

加勁梁在吊裝過(guò)程中，主纜縱向、豎向位置都在變化，另外主索鞍與橋塔頂?shù)乃较鄬?duì)位置頂推時(shí)也在變化，這樣塔頂邊緣與主纜可能會(huì)有接觸的情況。圖7為兩種方案下橋塔跨中側(cè)主纜與橋塔塔頂外緣凈距變化情況，方案一距離變化范圍為0.549 m～1.530 m，方案二為-0.044 m～1.530 m。可見(jiàn)方案一較優(yōu)，方案二在架設(shè)過(guò)程中主纜與橋塔有接觸，需要在橋塔頂部切除一小部分才可保證主纜不受橋塔影響。

圖7 主纜與橋塔邊凈距變化曲線

4.4 索夾處主纜折角大小

加勁梁在吊裝過(guò)程中，主纜在索夾處會(huì)出現(xiàn)折角，折角過(guò)大則會(huì)影響主纜線形和結(jié)構(gòu)安全。索夾處主纜折角見(jiàn)圖8。兩方案的全部索夾在施工過(guò)程中的最大折角見(jiàn)圖 9。主跨在跨中節(jié)點(diǎn)對(duì)稱，故僅顯示半幅索夾處主纜折角變化。

圖8 索夾處主纜折角示意

圖9 索夾處主纜折角施工全過(guò)程峰值匯總

從圖9中可以看出:

(1)方案一由跨中至橋塔架設(shè)加勁梁過(guò)程中，主纜折角最大處發(fā)生在架設(shè)跨中梁段時(shí)，峰值為2.3°；方案二由橋塔至跨中架設(shè)加勁梁過(guò)程中，主纜折角最大處發(fā)生在離橋塔最近的吊索上索夾處，峰值為2.0°?？梢?jiàn)方案一的索夾處主纜折角大于方案二。

(2)隨著主梁架設(shè)的過(guò)程，兩方案中索夾處主纜折角均逐漸減少。

(3)除架設(shè)跨中梁段外，其余每次吊裝一個(gè)梁段均為兩個(gè)吊索共同受力。方案一中，在兩個(gè)吊索上的索夾處，離跨中較遠(yuǎn)的索夾處主纜折角要大于離跨中較近的索夾處主纜折角；而方案二中剛好相反，離跨中較近的索夾處主纜折角要大于離跨中較遠(yuǎn)的索夾處主纜折角。

4.5 索夾的抗滑移安全系數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，索夾共計(jì)9種，在跨中分布的為SJ1～SJ5五類。索夾采用M52螺桿進(jìn)行張拉夾緊，螺桿安裝張拉力為1 070 kN，設(shè)計(jì)張拉力為750 kN。規(guī)范規(guī)定吊索索夾的抗滑系數(shù)≥3。將兩方案主跨中同類索夾在架梁過(guò)程中最大吊索索力和索夾處抗滑系數(shù)匯總，見(jiàn)表2。

表2 兩方案索夾抗滑系數(shù)比較

從表2中可以看出，兩個(gè)方案索夾抗滑移安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；方案一比方案二在橋塔處的索夾抗滑安全系數(shù)略高。

4.6 下弦桿間開(kāi)口間距大小

在架梁過(guò)程中，已安裝到位的加勁梁之間一般采用上弦鉸接、下弦自由的臨時(shí)鉸接法連接。由于自重的影響，加勁梁會(huì)產(chǎn)生不同的水平和豎向位移，導(dǎo)致相鄰加勁梁段間下弦桿有著不同的開(kāi)口間距。隨著架梁過(guò)程的進(jìn)行，下弦桿的開(kāi)口間距由大變小，最終閉合。將兩方案下弦桿開(kāi)口間距在架梁過(guò)程中的變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，由于主跨以跨中節(jié)點(diǎn)對(duì)稱，分析僅顯示半幅橋梁結(jié)構(gòu)。

圖10為兩個(gè)方案加勁梁各個(gè)下緣開(kāi)口間距大小在整個(gè)梁段吊裝過(guò)程中的包絡(luò)圖。梁段間開(kāi)口編號(hào)從橋塔處向跨中處依次為1～24號(hào)。

圖10 兩方案各下弦開(kāi)口間距包絡(luò)圖

由圖10可以看出(忽略橋塔附近墩頂托架上加勁梁下弦1號(hào)、2號(hào)兩個(gè)開(kāi)口間距):

(1)兩方案中，方案二的下弦開(kāi)口間距最大值為397 mm，比方案一的開(kāi)口間距最大值231 mm要大。

(2)在方案一中，由跨中向橋塔架設(shè)加勁梁，跨中處編號(hào)24號(hào)開(kāi)口間距峰值最大(231 mm)，從跨中往兩側(cè)開(kāi)口間距峰值逐漸降低，直至接近跨中1/4點(diǎn)的編號(hào)11號(hào)開(kāi)口間距峰值最小(5 mm)，隨后再往橋塔方向開(kāi)口間距逐漸增大至3號(hào)開(kāi)口間距峰值65 mm。

(3)在方案二中，由橋塔向跨中架設(shè)加勁梁，橋塔附近編號(hào)3號(hào)開(kāi)口間距峰值最大(397 mm)，從橋塔往跨中開(kāi)口間距逐漸降低至跨中24號(hào)開(kāi)口間距峰值16 mm。

4.7 加勁梁線形分析

加勁梁的線形與架設(shè)方案有關(guān)，為分析加勁梁在整個(gè)架梁過(guò)程中線形變化情況，將兩種架梁順序中幾個(gè)典型工況下加勁梁線形繪出，見(jiàn)圖11。從圖11可以看出方案一中加勁梁線形變化較為平順。

從圖11a可以看出，加勁梁跨中節(jié)點(diǎn)豎向高程變化幅度為-2.02 m～12.14 m(與成橋坐標(biāo)相比)；從圖11b可以看出，加勁梁豎向高程變化幅度為-5.57 m～12.14 m(與成橋坐標(biāo)相比)。

圖11 加勁梁架設(shè)線形變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

超大跨度懸索橋在架設(shè)主梁方案上選擇至關(guān)重要，影響整個(gè)架梁過(guò)程的施工方案實(shí)施情況。加勁梁節(jié)段吊裝順序主要分為由跨中至橋塔和由橋塔至跨中兩個(gè)方向。考慮結(jié)構(gòu)的受力平衡，大部分懸索橋加勁梁吊裝均采用平衡對(duì)稱吊裝。

通過(guò)對(duì)比某超大跨度懸索橋鋼桁梁架設(shè)方案，即方案一由跨中至橋塔架設(shè)和方案二由橋塔至跨中架設(shè)不同參數(shù)的對(duì)比分析，拋開(kāi)安裝設(shè)備和工期等因素，就懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的反應(yīng)而言，推薦由跨中至橋塔架設(shè)加勁梁。