三塔空間纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換研究

代百華，朱金柱

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室)

常規(guī)平面纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換方案需以考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全為原則，綜合考慮其張拉工效、合理性和經(jīng)濟性，選擇最優(yōu)的吊索張拉方案。而空間纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換除了常規(guī)自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換所需考慮的要素，還需考慮如何解決吊索橫向偏角差的問題。而解決吊索橫向偏角的方法除了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化(如奧克蘭海灣大橋研發(fā)帶凹槽索夾和柔性吊桿來適應(yīng)施工過程和成橋后不同狀態(tài)下吊桿的傾斜；天津富民橋采用了一種新型的可轉(zhuǎn)動式索夾，適應(yīng)6°偏差角，在吊桿產(chǎn)生橫橋向位移時，通過索夾的轉(zhuǎn)動釋放對主纜產(chǎn)生的扭矩作用)，還有設(shè)置臨時拉索法(如杭州江東大橋，在中跨設(shè)置5對臨時拉索)、橫向?qū)?如張家界玻璃橋在跨中設(shè)置3道橫向?qū)b置)以及橫向頂撐法(如東苕溪大橋在中跨設(shè)置3道橫向頂撐裝置)。

迄今為止，已建和在建的空間纜自錨式懸索橋有20余座，已有許多學(xué)者分別對單塔(如廣州獵德大橋、天津富民橋等)、兩塔空間纜(如韓國永宗大橋、哈爾濱陽明灘大橋)自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換方案進行過研究，而對于三塔空間纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換的研究則相對較少。該文以目前國內(nèi)外最大跨度(主跨428 m)三塔空間纜自錨式懸索橋——濟南鳳凰路黃河大橋為依托背景，對其索梁體系轉(zhuǎn)換進行相關(guān)的研究。

1 工程概述

濟南鳳凰路黃河大橋為三塔鋼箱梁空間纜自錨式懸索橋，跨徑布置為(70+168+428+428+168+70)m=1 332 m，如圖1所示。主纜采用61-127φ6.2 mm鍍鋅鋁合金高強鋼絲組成，中跨設(shè)計矢跨比為1/6.15。成橋狀態(tài)下散索鞍IP到道路中心線的橫向距離為7.1 m，邊中塔主索鞍IP點到道路中心線的橫向距離為3.165 m，主纜中跨跨中點到道路中心線的橫向距離為6.872 m。空纜狀態(tài)下中跨跨中點到道路中心線的橫向距離為3.27 m。左(右)中跨均設(shè)置44對永久吊索和3對臨時吊索(中央扣處)，從邊塔往中塔方向依次編號為M1～M22、LD1～LD3、M23～M44；左(右)邊跨均設(shè)置16對永久吊索，從邊塔往散索鞍方向依次編號為S1～S16，其中S16、M20～M25均采用M200銷軸式剛性吊桿，其余均采用錨拉板式PES7-187柔性吊桿。吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為9 m，同一編號下吊索橫向間距為14.2 m。

圖1 總體布置圖(單位：m)

加勁梁全寬61.7 m，采用閉口式鋼箱梁，外設(shè)人非挑臂，如圖2所示。橫隔板采用空腹桁架式橫隔板，設(shè)雙向八車道，預(yù)留雙線軌道交通實施空間。機動車道區(qū)域設(shè)12 cm厚混凝土橋面板。加勁梁采用南北兩岸向中塔方向同步頂推施工方法，體系轉(zhuǎn)換前需進行左右幅21 m、寬12 cm厚的橋面板現(xiàn)澆。

圖2 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

2 可行性吊索張拉方案探討

對于傳統(tǒng)的兩塔自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換，其吊索張拉按邊中跨有兩類總體張拉思路：先邊后中(先一次完成邊跨吊索張拉錨固，再分批次張拉錨固中跨吊索)和邊中共進(邊中跨穿插進行吊索張拉錨固)兩類。每類中跨吊索張拉均有從塔側(cè)往中跨跨中或中跨跨中往塔側(cè)兩種；邊跨吊索張拉均有從散索鞍(套)往塔側(cè)、從塔側(cè)往散索鞍(套)、從邊跨跨中往散索鞍(套)與塔側(cè)方向3種。由于從邊跨跨中往散索鞍(套)與塔側(cè)方向作為起始張拉位置，可能會存在吊索張拉力小但需要進行接長的問題，邊跨起始張拉位置一般宜選擇散索鞍或橋塔側(cè)處，不論從散索鞍往橋塔側(cè)或橋塔側(cè)往散索鞍推進，其結(jié)構(gòu)特點類似。

鳳凰路黃河大橋空纜狀態(tài)下邊塔主索鞍向邊跨預(yù)偏0.659 m，中塔主索鞍無預(yù)偏，中跨跨中點向邊塔偏位0.430 m，同時跨中吊索長度為3.152 m(纜心到上銷鉸中心)，將中跨跨中作為起始張拉位置，會出現(xiàn)較大的吊索縱向偏角，則吊索與鋼導(dǎo)管會出現(xiàn)局部接觸受力破損的情況。

圖3 中跨跨中為起始張拉位置時各吊索縱向偏角差

由圖3可以看出：吊索M22～M29在安裝過程中縱向偏角為-5.66°～-3.19°，均難滿足縱向設(shè)計控制偏角在±3°以內(nèi)的條件，因而對于三塔自錨式懸索橋，不宜采用從跨中往兩塔方向進行張拉的方案，這一點有別于傳統(tǒng)的兩塔自錨式懸索橋(一般兩塔懸索橋索鞍預(yù)偏量相等或偏差不大)。通過上述分析，可選擇表1所示4種符合該橋的可行性吊索張拉方案，并可將方案1和3作為典型方案。

表1 4種符合該橋的可行性吊索張拉方案

3 張拉方式的探討

在前期吊索張拉過程中，由于主纜張力提供的重力剛度小，容易出現(xiàn)吊索力小且變形大的情況；隨著吊索不斷張拉，主纜張力提供的重力剛度越來越大，張拉吊索時結(jié)構(gòu)變形小，此時將吊索張拉到設(shè)計位置的拉力遠比成橋索力大，需要同步張拉2對或3對相鄰編號的吊索才能錨固(即多點同步張拉)或?qū)⒁唤M吊索按一定順序逐根張拉到一定索力，多次循環(huán)張拉后才能錨固(即單點循環(huán)張拉)。

該橋為三塔自錨式懸索橋，相比常規(guī)自錨式懸索橋，多出一個主跨，若采用多點同步對稱張拉，則需要增加16套(4×2×2)千斤頂和連接桿，且多點張拉同步性較差。若采用單點循環(huán)對稱張拉，則千斤頂數(shù)量雖然減少，但張拉效率會有所降低。綜合考慮設(shè)備數(shù)量和張拉效率，宜采用單點循環(huán)張拉方案并適當(dāng)考慮備用千斤頂設(shè)備以節(jié)省倒頂時間。

4 體系轉(zhuǎn)換所需考慮的控制參數(shù)

該項目體系轉(zhuǎn)換方案需要遵循以下原則：① 目標(biāo)狀態(tài)原則：體系轉(zhuǎn)換完成后各構(gòu)件的受力和線形均滿足設(shè)計規(guī)范要求；② 吊索對稱同步張拉原則；③ 主體結(jié)構(gòu)和臨時構(gòu)件受力安全原則：橋塔的拉應(yīng)力、鋼主梁以及現(xiàn)澆橋面板不超過規(guī)范允許的應(yīng)力值；④ 幾何相容原則：體系轉(zhuǎn)換過程中吊索橫向偏角與縱向傾角控制在±3°；⑤ 經(jīng)濟性原則：在滿足①～④原則的條件下，永久吊索或臨時吊索張拉次數(shù)少、張拉千斤頂與配套的張拉設(shè)備數(shù)量少、吊索接長桿短且數(shù)量少。

5 空間纜吊索橫向分析

將“邊中共進”方案+橫向頂撐與“先邊后中”方案+跨中臨時拉索的兩個初步方案(由于篇幅有限，具體張拉工序未列出，可參考后文表格中所示工序，但略有不同)進行比選分析結(jié)果見圖4、5。

圖4 “邊中共進”+橫向頂撐時各吊索橫向偏角差

圖5 “先邊后中”+臨時拉索時各吊索橫向偏角差

從圖4、5可以看出：無論是橫向頂撐還是臨時拉索，它們的作用均是改變主纜橫向距離，很大程度上改善吊索橫向偏角超限問題，便于吊索安裝與張拉。兩者不同之處在于臨時拉索拉力對主纜既存在豎向拉力，還存在橫向拉力。豎向拉力也會在吊索張拉過程中隨著主纜線形的變化而變化，引起臨時拉索內(nèi)力變化，導(dǎo)致臨時拉索需要進行多次索力調(diào)整；而跨中增設(shè)橫向頂撐桿，不存在內(nèi)力大幅度改變的問題，在吊索張拉過程中無需進行內(nèi)力調(diào)整，一次到位。因而從張拉工效上，建議采用各中跨跨中增設(shè)一道橫向頂撐的體系轉(zhuǎn)換方案。

6 可行性方案及比選分析

根據(jù)上述吊索張拉方案、張拉方式、控制原則以及橫向連接方式選擇的探討，經(jīng)過大量的計算分析后確立了兩種較優(yōu)的體系轉(zhuǎn)換方案。

表2為“邊中共進”方案1具體實施時吊索張拉力和鞍座頂推量。從表2可知：該方案通過邊中跨吊索穿插張拉來實現(xiàn)所有吊索張拉錨固。相比方案3，方案1相對偏保守，邊跨吊索張拉力相對較?。幻總€邊跨需增加3套張拉設(shè)備，且連接桿長度較長，最大為1.162 m，吊索張拉工序較多。

表3為“先邊后中”方案3具體實施時吊索張拉力和鞍座頂推量。從表3可知：邊跨吊索S1～S14均可在滿足縱橫向控制偏角差的條件下進行一次安裝到位，S15～S16需要通過中跨吊索張拉使其橫向偏角滿足要求后才能一次安裝到位，無需多余的連接桿和千斤頂。但由于邊跨吊索先張拉到位且張拉力小，而帶來后期張拉中跨吊索時使得邊跨吊索內(nèi)力不斷增大到成橋索力，這樣方案3中所需的中跨吊索張拉力(最大5 200 kN)稍大于方案1(最大4 600 kN)，適當(dāng)增加了現(xiàn)澆橋面板局部應(yīng)力控制風(fēng)險但總體可控。

表4～6分別為兩種方案邊跨部分吊索張拉錨固力與連接桿長度和張拉工序數(shù)量、鞍座頂推次數(shù)、最大張拉力、張拉設(shè)備等對比情況，兩種方案總體均可行，但從經(jīng)濟性上，推薦采用“先邊后中”方案3。

由于篇幅有限，表中僅列出“邊中共進”方案1部分結(jié)果和“先邊后中”方案3的主要計算結(jié)果。方案1塔頂偏位和吊索安裝時各索夾縱橫向偏角差如圖6、7所示。方案3各施工階段吊索安裝時塔頂偏位、橫撐內(nèi)力、各索夾縱橫向偏角差、各吊索連接桿長度、各臨時墩反力、鋼梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖與橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖分別見圖8～15(由于對稱性僅示一半)。

表2 “邊中共進”方案1

表3 “先邊后中”方案3

表4 兩種方案邊跨部分吊索張拉錨固力與連接桿長度對比

表5 兩種方案張拉工序、鞍座頂推次數(shù)、最大張拉力等對比

表6 兩種方案張拉設(shè)備數(shù)量對比

圖6 方案1各工況下邊塔塔頂偏位

圖7 方案1吊索安裝時各索夾縱橫向偏角差

圖8 方案3各工況下邊塔塔頂偏位

由圖6～15可知：在各施工階段下，橋塔偏位均處于-11～10 cm；跨中橫撐內(nèi)力隨著吊索張拉逐漸減小至零；所需中跨連接桿最大長度為3.15 m，所需邊跨連接桿最大長度為0.18 m；所有臨時墩隨著吊索不斷張拉逐步脫空；鋼梁上下緣與混凝土板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)均受力安全。

圖9 方案3各工況下跨中橫撐內(nèi)力

圖10 方案3吊索安裝時各索夾縱橫向偏角差

圖11 方案3各吊索連接桿長度

圖12 方案3各工況下臨時墩反力

圖13 方案3鋼梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖14 方案3鋼梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖15 方案3橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖

7 結(jié)論

(1)從傳統(tǒng)兩塔平面纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換的特點進行分析，給出了兩種吊索張拉方案(即“先邊后中”和“邊中共進”)、每種張拉方案3種不同起始張拉位置以及兩類張拉方式(單點循環(huán)和多點同步)。結(jié)合三塔空間纜自錨式懸索橋特點，確定了各主跨對稱張拉的總體方向和推薦的兩種方案，均采取邊塔側(cè)吊索張拉由邊塔向錨跨側(cè)推進，兩中跨吊索均采用由兩塔向中跨跨中推進的對稱張拉方式，不宜從跨中往兩塔方向推進。

(2)通過體系轉(zhuǎn)換過程吊索張拉方式的比選探討，結(jié)合濟南鳳凰路黃河大橋結(jié)構(gòu)特點、設(shè)備數(shù)量與張拉效率，確定了兩種單點循環(huán)張拉的體系轉(zhuǎn)換方案即“邊中共進”方案1和“先邊后中”方案3。

(3)通過對典型方案在有無橫向頂撐或臨時拉索下進行結(jié)構(gòu)受力分析探討，在中跨跨中設(shè)置一道鋼管橫向頂撐或臨時拉索均能解決吊索橫向偏角差的問題，若采用臨時拉索則需要進行多次臨時拉索索力調(diào)整，而采用鋼管橫向頂撐則無需進行其內(nèi)力調(diào)整。建議采用各中跨跨中增設(shè)一道橫向頂撐的方案。

(4)給出了兩種典型方案1和方案3的關(guān)鍵計算結(jié)果，表明了這兩種方案的可行性和結(jié)構(gòu)安全性。考慮兩種方案的經(jīng)濟性和工效，確立“先邊后中+單點循環(huán)張拉+跨中一道鋼管橫撐”的體系轉(zhuǎn)換方案3為最優(yōu)方案。