羅家溝自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換方案研究

路 韡，楊子江，劉世忠，顧皓瑋，黃洪猛

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730030)

由于自錨式懸索橋成橋后主纜錨固于梁體，使其施工順序成為先塔梁施工、后纜索系統(tǒng)施工[1].在纜索系統(tǒng)施工過(guò)程中，需要對(duì)吊索進(jìn)行張拉，使梁體由支架支撐轉(zhuǎn)換為吊索彈性支撐，這一過(guò)程稱為體系轉(zhuǎn)換[2-3].體系轉(zhuǎn)換是復(fù)雜的過(guò)程，在制定方案時(shí)需對(duì)結(jié)構(gòu)安全性、施工效率、后期運(yùn)營(yíng)等影響因素進(jìn)行系統(tǒng)考慮.

對(duì)于獨(dú)塔不等跨自錨式懸索橋國(guó)內(nèi)已有多座橋梁施工經(jīng)驗(yàn).平勝大橋按先長(zhǎng)索后短索，以吊索伸出量控制為主，兼顧索力的原則進(jìn)行張拉[4]；獵德大橋按主跨先長(zhǎng)索后短索，邊跨先中索再短索、長(zhǎng)索，以吊索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)控制張拉[5]；鼓山大橋按先長(zhǎng)索后短索，以吊索力控制張拉[6].以上橋梁體系轉(zhuǎn)換過(guò)程僅對(duì)吊索張拉過(guò)程進(jìn)行研究，未考慮混凝土徐變效應(yīng)、主纜與鞍座間的抗滑移安全系數(shù)、二期鋪裝順序等因素的影響.

本文以天水市羅家溝大橋?yàn)楸尘皩?duì)原有設(shè)計(jì)體系轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行優(yōu)化，考慮運(yùn)營(yíng)階段徐變效應(yīng)對(duì)橋塔的影響，提出針對(duì)獨(dú)塔不等跨自錨式懸索橋采用索鞍超前就位[7]，首輪先短索后長(zhǎng)索、次輪先長(zhǎng)索后短索的2輪張拉體系轉(zhuǎn)換方案.

1 工程概況

天水市羅家溝大橋是甘肅省首座自錨式懸索橋[8]，橋跨形式為(50+115+85+50) m，主橋全長(zhǎng)300 m.主纜成橋線形為多段懸鏈線，主跨垂跨比為1/9，全橋共設(shè)兩道主纜，每道由19根索股組成，橫向間距為17 m，主纜經(jīng)滑移式散索鞍錨固于鋼箱梁.吊索采用銷(xiāo)接式、鉛垂布置，縱向間距為6 m，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)一根吊索，共計(jì)31對(duì)，其中1#～3#吊索采用Φ125 mm鋼吊索、4#～31#吊索采用85-Φ5.1 mm鍍鋅平行高強(qiáng)鋼絲.鋼主梁采用Q345qD鋼材，為帶挑臂的單箱三室正交異性板結(jié)構(gòu)，梁高2.666 m.橋塔采用C55混凝土，塔高77 m.橋梁的總體布置如圖1所示.

2 體系轉(zhuǎn)換原則

2.1 體系轉(zhuǎn)換目標(biāo)

考慮到徐變效應(yīng)在運(yùn)營(yíng)期間對(duì)結(jié)構(gòu)的影響會(huì)引起橋塔向大跨方向傾斜、主梁下?lián)?，從而?dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支點(diǎn)反力的重分布[9].為減少運(yùn)營(yíng)期間對(duì)結(jié)構(gòu)的維護(hù)，可在施工期間通過(guò)設(shè)置橋塔預(yù)偏、主梁預(yù)拱度和調(diào)整吊索力的方法對(duì)結(jié)構(gòu)線形和索力進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而確定出合理成橋狀態(tài)，并以此作為體系轉(zhuǎn)換的目標(biāo)函數(shù).

2.2 控制邊界

羅家溝大橋在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中控制邊界為橋塔混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力，主梁最大拉、壓應(yīng)力不大于260 MPa；吊索材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)不小于1.5，其中1#～3#剛性吊索最大索力不大于2 200 kN，4#～31#柔性吊索最大索力不大于1 600 kN；各支座不出現(xiàn)負(fù)反力；主纜與鞍座抗滑移安全系數(shù)大于2.0.

2.3 施工效率

對(duì)吊索的臨時(shí)接長(zhǎng)和過(guò)多輪次的吊索張拉均會(huì)增加施工成本[10]，因此體系轉(zhuǎn)換方案應(yīng)在結(jié)構(gòu)安全的前提下應(yīng)盡量減少吊索接長(zhǎng)長(zhǎng)度、吊索張拉輪次和索鞍頂推次數(shù).

進(jìn)入纜索安裝階段，可進(jìn)行部分二期恒載的施工，這樣既可以提高施工效率，又能有效增加鋼主梁自重，保證在首輪吊索張拉過(guò)程中支座不易脫空.

3 體系轉(zhuǎn)換方案

3.1 實(shí)施方案

結(jié)合羅家溝大橋的實(shí)際情況和體系轉(zhuǎn)換原則，考慮混凝土徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響，以構(gòu)件強(qiáng)度不超限值、索股在主索鞍不發(fā)生滑移、支座不出現(xiàn)負(fù)反力為控制邊界，提出使用4套千斤頂、2輪吊索張拉方案，即首輪以主梁脫架、減少吊索接長(zhǎng)為控制目標(biāo)，索鞍采用可控狀態(tài)自由滑移的方法頂推[11]并超前就位，吊索采用先短索后長(zhǎng)索的張拉方案；次輪以合理成橋狀態(tài)為目標(biāo)，吊索采用先長(zhǎng)索后短索的張拉方案.

羅家溝大橋主梁為鋼箱梁，徐變效應(yīng)僅對(duì)混凝土橋塔產(chǎn)生影響，確定合理成橋狀態(tài)時(shí)，橋塔加載齡期按100 d計(jì)，徐變效應(yīng)終止時(shí)間按10 000 d計(jì).對(duì)沈銳利[12]提出的算法修正后可算得塔梁預(yù)偏量和索力調(diào)整值，即主塔向邊跨預(yù)偏15 mm，主梁向上增設(shè)最大30 mm預(yù)拱度，邊跨吊索力較設(shè)計(jì)值增加20 kN.

首輪“索鞍超前就位，先短索后長(zhǎng)索”的張拉思路是首先逐對(duì)張拉“主跨長(zhǎng)出段”吊索(圖1)，并采用“索鞍超前就位”的方案將索鞍在首輪最初的幾個(gè)工況內(nèi)頂推至成橋位置，然后以減少吊索接長(zhǎng)和主梁脫架為目標(biāo)，按先短索后長(zhǎng)索的順序?qū)χ鳌⑦吙绲跛髦饘?duì)進(jìn)行對(duì)稱張拉.在逐對(duì)先短后長(zhǎng)的張拉過(guò)程中，若抗滑移安全系數(shù)接近限值，可通過(guò)張拉“主跨長(zhǎng)出段”內(nèi)的其他吊索調(diào)整主纜在主跨的拉力，進(jìn)而完成首輪張拉.為保證首輪張拉梁體能夠順利脫架，支座不出現(xiàn)負(fù)反力，避免梁體臨時(shí)壓重.在纜索安裝階段需進(jìn)行部分二期恒載的施工，如鋪裝橋面混凝土保護(hù)層、澆筑防撞擋塊底座等.次輪“先長(zhǎng)索后短索”[13]的張拉思路是按先長(zhǎng)吊索后短吊索的順序?qū)χ?、邊跨吊索逐?duì)進(jìn)行對(duì)稱張拉，最終使吊索力和結(jié)構(gòu)線形達(dá)到合理成橋狀態(tài).羅家溝大橋體系轉(zhuǎn)換施工步驟如表1所列.

表1 體系轉(zhuǎn)換施工步驟Tab.1 Construction steps of the system transformation

由表1可知，首輪通過(guò)首先張拉“主跨長(zhǎng)出段”5#吊索來(lái)平衡索鞍頂推后主索鞍兩側(cè)主纜水平分力，即可使主索鞍頂推至成橋位置.當(dāng)逐對(duì)對(duì)稱張拉至10#、27#吊索時(shí)，抗滑移安全系數(shù)接近限值，通過(guò)張拉“主跨長(zhǎng)出段”4#吊索，調(diào)整主索鞍主跨側(cè)主纜拉力.當(dāng)完成18#、19#吊索張拉后，張拉剩余“主跨長(zhǎng)出段”3#～1#吊索，進(jìn)而完成首輪張拉.

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

采用有限元軟件Midas Civil建立全橋模型，考慮滑移式散索鞍邊界的影響[14]，按表1體系轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力、索力等結(jié)果.在此僅列出關(guān)鍵構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果，首輪張拉吊索豎向位移如圖2所示.圖中以吊索由空纜至成橋豎向位移為基準(zhǔn)，當(dāng)?shù)跛髀菽干暇壟c錨杯上緣平齊時(shí)，設(shè)定為控制上限，若吊索位移量超出上限，則需安裝墊板；當(dāng)?shù)跛髀菽赶戮壟c錨杯下緣平齊時(shí)，設(shè)定為控制下限，若吊索位移量超出下限，則需安裝接長(zhǎng)桿.

由圖2可知，吊索在首輪張拉過(guò)程中豎向位移均在上、下限范圍內(nèi)，吊索無(wú)需臨時(shí)接長(zhǎng).

主纜與鞍座間的抗滑移安全系數(shù)歷程如圖3所示，圖中正值表示主纜軸力邊跨側(cè)為緊邊拉力，負(fù)值表示主纜軸力主跨側(cè)為緊邊拉力.塔、梁交界處橋塔應(yīng)力歷程如圖4所示.

由圖3可知，本方案中主纜與鞍座間的抗滑移安全系數(shù)絕對(duì)值均大于控制邊界2，施工階段9通過(guò)對(duì)“主跨長(zhǎng)出段”4#吊索張拉，增大了抗滑移安全系數(shù)；施工階段22為拆架后剩余二期恒載施工，由于主跨長(zhǎng)度大于邊跨，剩余二期恒載施工后主跨側(cè)主纜軸力大于邊跨，抗滑移安全系數(shù)發(fā)生突變.

由圖3、圖4可知，抗滑移安全系數(shù)和橋塔應(yīng)力變化相對(duì)平穩(wěn)且安全系數(shù)和應(yīng)力水平均處于較高值.這是由于主索鞍超前就位后主、邊跨吊索張拉力基本保持對(duì)稱.由上圖可知抗滑移安全系數(shù)較塔梁交界處橋塔應(yīng)力更為敏感，故在制定體系轉(zhuǎn)換方案時(shí)，僅需關(guān)注抗滑移安全系數(shù).

橋塔處支座反力變化歷程如圖5所示.

由圖5可知，橋塔處支座在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中始終處于受壓狀態(tài)，由于在纜索安裝階段進(jìn)行部分二期恒載的施工，在首輪吊索張拉過(guò)程中(施工階段3-20)支座反力有較大富余.

在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中各吊索力變化歷程如圖6所示.體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中鋼箱梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7～8所示.

由圖6可知，在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中剛性吊索最大索力為1 700 kN(3#、施工階段18)，柔性吊索最大索力為1 093 kN(4#、施工階段17)，各吊索力始終滿足安全受力邊界，并在次輪張拉過(guò)程中力值逐漸趨于目標(biāo)函數(shù)值.

由圖7、圖8可知，在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中鋼箱梁上緣最大拉應(yīng)力為30.2 MPa，最大壓應(yīng)力為34.4 MPa；下緣最大拉應(yīng)力為31.2 MPa，最大壓應(yīng)力為61.7 MPa，加勁梁受力處于安全狀態(tài).

4 結(jié)論

天水市羅家溝大橋在施工過(guò)程中采用了本文體系轉(zhuǎn)換方案，各構(gòu)件應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，橋塔預(yù)偏、主梁預(yù)拱達(dá)到了計(jì)算設(shè)置的成橋目標(biāo)，目前運(yùn)營(yíng)情況良好.通過(guò)對(duì)理論計(jì)算和成橋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1) 考慮了徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響，制定出合理成橋狀態(tài)，減少了結(jié)構(gòu)后期的調(diào)整；

2) 部分二期恒載在纜索架設(shè)階段施工，避免了首輪張拉對(duì)梁體的配重，提高了施工效率；

3) 首輪“索鞍超前就位，先短索后長(zhǎng)索”的張拉方案，使吊索無(wú)需接長(zhǎng)，抗滑移安全系數(shù)和橋塔應(yīng)力變化平穩(wěn)，簡(jiǎn)化了計(jì)算分析過(guò)程，節(jié)省了施工成本.