空間主纜懸索橋主纜線形控制方案研究

彭 鵬，厲勇輝，代百華

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430048；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430048；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430048；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430048)

0 引言

空間主纜懸索橋在提高橋梁橫向剛度時(shí)，給人特有的索結(jié)構(gòu)空間美感。相比平行主纜懸索橋，空間主纜懸索橋是由主纜和吊索形成的三維索系，在對(duì)豎向承載力影響不大的情況下，提高纜索系統(tǒng)橫向剛度與整個(gè)橋梁的橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度[1]。目前，越來(lái)越多的跨峽谷和河流懸索橋，尤其是千米級(jí)跨徑懸索橋開(kāi)始采用空間主纜形式。

主纜線形和吊索偏角差是空間主纜懸索橋施工過(guò)程控制的重難點(diǎn)，受主梁架設(shè)影響較大。主梁安裝過(guò)程中，主纜橫向線形和成橋線形相差較大，導(dǎo)致吊索安裝過(guò)程中偏角差過(guò)大，對(duì)吊耳處產(chǎn)生過(guò)大附加彎矩，引起主纜扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致索夾定位不準(zhǔn)?？臻g主纜懸索橋施工工藝可分為先梁后纜和先纜后梁，目前國(guó)內(nèi)外已建成和在建空間主纜懸索橋結(jié)構(gòu)形式和總體施工工藝情況如表1所示[2-5]。目前已提出很多空間主纜理論解析計(jì)算方法[6-8]，施工過(guò)程中吊索傾角和內(nèi)力不斷發(fā)生變化，采用理論公式計(jì)算較繁瑣，為此本文采用有限元數(shù)值分析法，分析千米級(jí)空間主纜主梁架設(shè)過(guò)程中主纜線形和吊索偏角情況。

表1 國(guó)內(nèi)外已建成和在建空間主纜懸索橋結(jié)構(gòu)形式及總體施工工藝

1 施工重難點(diǎn)及主纜線形控制方案

1.1 線形控制難點(diǎn)

橋梁成橋狀態(tài)與施工方案息息相關(guān)，結(jié)合橋位環(huán)境條件、空間主纜懸索受力特點(diǎn)，總結(jié)與常規(guī)平行主纜懸索橋的差異，如表2所示。

表2 空間主纜與平行主纜懸索橋上部結(jié)構(gòu)工藝對(duì)比

相比平行主纜懸索橋，空間主纜懸索橋的主纜線形控制和索夾安裝是施工過(guò)程控制重難點(diǎn)?？臻g主纜懸索橋結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)在于吊索施工過(guò)程中，主纜橫向距離不斷變化，主纜線形和成橋狀態(tài)線形差別較大，需對(duì)主纜線形進(jìn)行控制分析，原因如下：①吊索安裝需要 為使吊索下錨固點(diǎn)插入錨杯，需控制上、下錨點(diǎn)間的橫向距離；②防止吊索拉力對(duì)插耳和索夾產(chǎn)生過(guò)大的附加彎矩；③避免引起主纜扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致索夾方向定位不準(zhǔn)確。

為描述主纜橫向線形對(duì)吊索施工的影響，引入吊索安裝偏角差θ(見(jiàn)圖1)。吊索安裝偏角差指吊索安裝時(shí)，吊索軸線與成橋狀態(tài)下吊索間的夾角。

圖1 吊索偏角差計(jì)算示意

(1)

式中：D1為吊桿安裝時(shí)，索夾到橋中心線距離；D2為成橋狀態(tài)時(shí)，索夾到橋中心線距離；D為吊桿吊點(diǎn)到橋中心線距離；L1為吊桿長(zhǎng)度。

1.2 空間主纜線形控制方案研究

根據(jù)主纜錨固方式不同，空間主纜懸索橋可分為地錨式懸索橋和自錨式懸索橋。自錨式懸索橋一般采用先梁后纜施工工藝，施工過(guò)程中采用對(duì)拉、對(duì)撐、臨時(shí)拉索方式控制主纜線形，主梁受臨時(shí)支架支承，主梁自重對(duì)主纜線形影響較小。地錨式懸索橋一般采用先纜后梁施工工藝，主梁架設(shè)過(guò)程中，采用對(duì)拉或?qū)畏绞娇刂浦骼|線形，主梁架設(shè)過(guò)程中主梁自重對(duì)主纜線形影響較大。對(duì)拉裝置如圖2所示。

圖2 對(duì)拉裝置示意

空間主纜懸索橋主纜線形控制流程如圖3所示。對(duì)采用對(duì)拉/對(duì)撐方式控制主纜線形的施工方案，根據(jù)對(duì)拉/對(duì)撐裝置的套數(shù)和位置初步擬定對(duì)拉方案，通過(guò)有限元計(jì)算分析得到每種方案吊索安裝時(shí)偏角差θ和對(duì)拉裝置最大內(nèi)力，進(jìn)行方案比選時(shí)綜合考慮以下因素：①吊索安裝偏角差θ一般小于吊索下錨點(diǎn)允許轉(zhuǎn)動(dòng)角(一般設(shè)置為3°)；②對(duì)拉/對(duì)撐裝置套數(shù) 主要考慮施工過(guò)程中對(duì)拉/對(duì)撐裝置控制難易程度；③對(duì)拉/對(duì)撐裝置對(duì)纜索式起重機(jī)運(yùn)行影響 對(duì)拉和對(duì)撐裝置靠近主塔時(shí)，對(duì)纜索式起重機(jī)影響較大；④對(duì)拉/對(duì)撐內(nèi)力 對(duì)拉/對(duì)撐裝置內(nèi)力是對(duì)拉/對(duì)撐裝置設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，內(nèi)力越大存在的風(fēng)險(xiǎn)越大；⑤主纜扭轉(zhuǎn)問(wèn)題 吊索安裝偏角差θ越小，吊索對(duì)主纜產(chǎn)生扭矩越小，對(duì)索夾定位影響越小。

圖3 空間主纜懸索橋主纜線形控制流程

對(duì)采用臨時(shí)拉索方式控制主纜線形的施工方案，根據(jù)臨時(shí)拉索數(shù)量初步擬定方案，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得到吊索安裝偏角差θ、臨時(shí)拉索內(nèi)力和臨時(shí)墩支反力，比選方案時(shí)除考慮吊索安裝偏角差和主纜扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，還要綜合考慮以下因素：①臨時(shí)拉索套數(shù) 主要考慮拉索張拉控制難易程度；②張拉千斤頂?shù)牧砍?取決于臨時(shí)拉索內(nèi)力；③臨時(shí)墩支反力 臨時(shí)墩支反力不能超過(guò)臨時(shí)支撐的承載力；④臨時(shí)拉索張拉次數(shù)。

2 工程概況

以新建川藏大渡河大橋?yàn)槔治鲣撹炝杭茉O(shè)過(guò)程中主纜線形、吊索偏角，確定最優(yōu)對(duì)拉方案。該橋散索鞍水平面內(nèi)距離主梁外側(cè)13m，塔頂索鞍處主纜相比主梁外偏5.5m，中跨跨中主纜相比主梁外偏0.5m，中跨鋼桁梁共劃分51個(gè)節(jié)段，鋼桁梁從中跨向兩主塔依次交替架設(shè)。算例基本參數(shù)如圖4所示。主纜成橋線形如圖5所示。

圖4 算例基本參數(shù)(單位：m)

圖5 有限元分析模型(單位：m)

3 主纜線形計(jì)算分析

采用Midas Civil有限元軟件建立三維有限元模型，如圖6所示。全橋共劃分9 346個(gè)單元，主纜和吊索采用索單元進(jìn)行模擬，鋼桁梁采用桁架單元進(jìn)行模擬，主塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

圖6 有限元模型

3.1 對(duì)拉方案

成橋主纜橫向間距由主塔向中跨跨中逐漸減小，空纜狀態(tài)下主纜間距相等，為使鋼桁梁吊裝過(guò)程中主纜線形接近成橋線形，解決吊索在吊耳插銷(xiāo)處的安裝問(wèn)題，需在中跨主纜跨中處設(shè)置對(duì)拉裝置。為分析設(shè)置不同對(duì)拉套數(shù)對(duì)主纜線形和吊索偏角差的影響，確定最優(yōu)對(duì)拉方案，擬定4種方案：①方案1 不設(shè)置對(duì)拉裝置；②方案2 在中跨1/2處設(shè)置1道對(duì)拉裝置；③方案3 在中跨1/4，1/2，3/4設(shè)置3道對(duì)拉裝置；④方案4 在中跨1/6，1/3，1/2，2/3，5/6處設(shè)置5道對(duì)拉裝置。

3.2 對(duì)拉方案對(duì)比分析

采用式(1)計(jì)算得到鋼桁梁施工過(guò)程中，4種方案吊索安裝時(shí)的吊索偏角差，如圖7所示。

圖7 施工過(guò)程中主梁橫橋向線形

鋼桁梁架設(shè)過(guò)程中，主纜橫橋向位移對(duì)比分析如圖8所示。

圖8 鋼桁梁節(jié)段架設(shè)過(guò)程中對(duì)拉裝置內(nèi)力變化

鋼桁梁節(jié)段架設(shè)過(guò)程中，方案2～4對(duì)拉裝置內(nèi)力變化如圖9所示。

圖9 鋼桁梁節(jié)段架設(shè)過(guò)程中對(duì)拉裝置內(nèi)力變化

由上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析如下。

1)中跨跨中吊桿安裝時(shí)，索夾偏角差相比靠近主塔吊索偏角差要大，設(shè)置對(duì)拉裝置套數(shù)越多，索夾偏角差越小。方案1未設(shè)置對(duì)拉裝置，吊索偏差角為65°，方案2～4分別設(shè)置1，3，5道對(duì)拉裝置，吊索安裝過(guò)程中其偏角差最大值分別為2.9°，1.04°，0.65°。

2)鋼桁梁施工過(guò)程中，主纜橫橋向變形逐漸接近成橋線形，同一個(gè)鋼桁梁架設(shè)工況下，對(duì)拉裝置設(shè)置套數(shù)越多，越接近成橋線形。

3)鋼桁梁架設(shè)過(guò)程中，方案2～4對(duì)拉裝置最大內(nèi)力分別為450，1 000，800kN，通過(guò)對(duì)拉裝置內(nèi)力變化規(guī)律可知，同一種方案，靠近橋墩對(duì)拉裝置最大內(nèi)力比靠近跨中對(duì)拉裝置要大，受鋼桁梁重力影響，鋼桁梁架設(shè)對(duì)靠近中跨對(duì)拉裝置內(nèi)力影響較大。

3.3 對(duì)拉方案比選

通過(guò)比較不同主纜對(duì)拉方案施工過(guò)程中索夾偏角差、主纜線形、施工工藝，比選中跨主纜對(duì)拉總體方案，4種方案綜合對(duì)比分析如表3所示。

表3 對(duì)拉方案比選

方案1索夾偏角差太大，吊索無(wú)法進(jìn)行安裝；方案2索夾偏角差雖小于下錨杯允許轉(zhuǎn)動(dòng)角3°，但考慮鋼桁梁吊裝節(jié)段自重較大、吊索安裝較多，為減少對(duì)主纜扭轉(zhuǎn)的影響，減少索夾定位誤差，擬在方案3,4中作比選，方案3,4均能將索夾偏角差控制在1°左右，且施工過(guò)程中主纜線形和張拉設(shè)備內(nèi)力相差不大，方案3采用3套張拉設(shè)備，相對(duì)于方案4施工過(guò)程中對(duì)拉裝置操作更簡(jiǎn)便，且方案4中張拉裝置更靠近主塔位置，主塔上纜索式起重機(jī)需架設(shè)更高，增加施工成本和風(fēng)險(xiǎn)，因此在保證索夾偏角差不大的情況下，方案3為優(yōu)選方案。

4 結(jié)語(yǔ)

1)相對(duì)于平行主纜懸索橋，空間主纜懸索橋施工過(guò)程中，主纜線形控制和索夾安裝是重難點(diǎn)，通過(guò)吊索安裝偏角差反映吊索對(duì)主纜線形和索夾安裝的影響。

2)給出空間主纜懸索橋線形控制方法和控制方案確定研究思路。

3)主梁吊裝過(guò)程中，主纜橫橋向變形逐漸接近成橋線形，對(duì)拉裝置設(shè)置越多，吊索安裝偏差角越小。對(duì)拉裝置內(nèi)力受鋼桁梁架設(shè)過(guò)程影響較大，尤其是中跨跨中對(duì)拉裝置內(nèi)力，主纜線形控制方案確定應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性、施工效率和施工安全性綜合考慮。