峽谷地區(qū)鋼箱梁斜拉橋非對稱纜索吊裝施工線形控制計(jì)算方法

李 亮

（成都清正公路工程試驗(yàn)檢測有限公司，四川 成都 611800）

0 引言

峽谷地區(qū)往往因?yàn)樯酱ǖ匦螚l件限制，無法在兩岸均建立鋼箱梁加工廠，且因橋梁所跨河流不具備通航條件，不能按常規(guī)的船運(yùn)或汽運(yùn)方式進(jìn)行鋼箱梁運(yùn)輸，故采用纜索吊裝系統(tǒng)進(jìn)行鋼箱梁運(yùn)輸和懸臂拼裝的方式應(yīng)運(yùn)而生。常見的鋼箱梁拼裝施工是靠船運(yùn)或汽運(yùn)的方式運(yùn)至懸拼吊機(jī)處，然后再進(jìn)行拼裝，而纜索吊裝法是集運(yùn)輸和拼裝于一體進(jìn)行，比常規(guī)的懸拼吊機(jī)施工法在成本上更經(jīng)濟(jì)，同時也能利用峽谷地區(qū)地形條件的限制進(jìn)行拼裝施工。由于纜索吊裝法施工只有一個工作面，必然會導(dǎo)致鋼箱梁非對稱施工，在線形計(jì)算方法上會與懸拼吊機(jī)法略有不同。線形控制主要包含安裝線形和制造線形的計(jì)算兩個方面，對于邊跨采用支架法，中跨采用懸拼法，制造線形的計(jì)算方法是不相同的。本文結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，對纜索吊裝法非對稱拼裝存在的受力行為進(jìn)行分析，給出了線形控制的計(jì)算方法，為類似工程項(xiàng)目提供參考。

1 纜索吊懸臂拼裝施工基本流程

在鋼箱梁斜拉橋纜索吊拼裝法中，梁段拼裝施工的基本流程為：纜索吊機(jī)將梁段起吊→運(yùn)輸至安裝位置→梁段初匹配→臨時螺栓連接→梁段精匹配→焊接完成→解除吊點(diǎn)→掛拉索→對稱張拉拉索→重復(fù)以上步驟直至安裝完成所有梁段。對于邊跨采用支架法拼裝鋼箱梁，纜索吊裝系統(tǒng)主要充當(dāng)運(yùn)輸?shù)淖饔?，待完成所有?jié)段運(yùn)輸后，邊跨支架法上的鋼箱梁則由支架上的設(shè)施裝備進(jìn)行安裝標(biāo)高精確調(diào)整，纜索吊裝系統(tǒng)只起著運(yùn)輸和初調(diào)的作用。

圖1 纜索吊裝施工示意圖

2 非對稱纜索吊拼裝鋼箱梁線形控制的計(jì)算方法

2.1 安裝線形的計(jì)算方法推導(dǎo)

不論采用什么施工方法，對于斜拉橋線形計(jì)算控制而言首先要確定的就是設(shè)計(jì)的目標(biāo)線形，然后再對施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，期間會考慮如索力、溫度、臨時荷載、結(jié)構(gòu)邊界條件的轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)自重、混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變等因素的影響，并通過正裝迭代計(jì)算進(jìn)行效應(yīng)疊加，最后達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)線形。由于監(jiān)控單位在線形計(jì)算的過程中，考慮的參數(shù)會與設(shè)計(jì)考慮的過程存在不一致的情況，所以在實(shí)際施工階段往往會對設(shè)計(jì)提供的初拉力進(jìn)行微調(diào)，最后結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的內(nèi)力分布及目標(biāo)線形。

現(xiàn)對纜索吊裝法的施工過程進(jìn)行計(jì)算模擬推導(dǎo)，模擬推導(dǎo)期間只考慮索力張拉和自重效應(yīng)，其他效應(yīng)暫不考慮。纜索吊裝懸臂施工受力簡化分析見圖2。

圖2 纜索吊裝懸臂施工受力簡化分析圖

結(jié)合纜索吊裝基本的施工流程，安裝線形可采用零位移法[1]進(jìn)行計(jì)算，即先假設(shè)節(jié)點(diǎn)在變形前，基準(zhǔn)線形高程均為0?，F(xiàn)以中跨L2號梁端安裝為例，在安裝之前，邊跨支架所有梁段已拼裝完畢，L1號梁段已張拉完畢，纜索吊將中跨L2號梁段運(yùn)輸至安裝位置，并調(diào)整至安裝標(biāo)高，此時L2號梁段所有重量由纜索吊承擔(dān)，橋梁結(jié)構(gòu)不承擔(dān)L2號梁段重量，待L2與L1號梁段焊接連接完畢后，纜索吊隨即松勾，此時完成體系轉(zhuǎn)換。L2號梁段重量由纜索吊轉(zhuǎn)至橋梁結(jié)構(gòu)上，在自重的影響下，L2號梁段節(jié)點(diǎn)2發(fā)生第一次位移，記為位移Δ2-1，轉(zhuǎn)角θ2-1，位移和轉(zhuǎn)角符號第一個下標(biāo)分別表示為節(jié)點(diǎn)號和梁號，第二個下標(biāo)表示為發(fā)生的施工階段。

待完成體系轉(zhuǎn)換后，對L2號梁段進(jìn)行掛索，并進(jìn)行對稱張拉，此時L2號梁段的2號節(jié)點(diǎn)發(fā)生第二次位移，記為Δ2-2，θ2-2。纜索吊將L3號梁段運(yùn)至安裝位置，與L2號梁段焊接連接后，纜索吊松勾完成體系轉(zhuǎn)換，此時L2號梁段節(jié)點(diǎn)完成第三次位移，記為Δ2-3，θ2-3。重復(fù)后面的拼裝步驟，此時節(jié)點(diǎn)2所有施工步驟位移的累加并加上該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高，即為該梁段節(jié)點(diǎn)的安裝標(biāo)高，節(jié)點(diǎn)2位移累計(jì)量記為Δ2-n，同樣該梁段的轉(zhuǎn)角記為+θ2-n，同理，對于其他梁段及節(jié)點(diǎn)計(jì)算原理一致，由于轉(zhuǎn)角變形原理和豎向變位原理一致，故根據(jù)上述纜索吊拼裝描述的步驟，只列出相關(guān)步驟豎向變位計(jì)算表，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 各節(jié)點(diǎn)各施工步驟零位移法變形計(jì)算表 mm

根據(jù)上述推論，各節(jié)點(diǎn)安裝線形表達(dá)式可歸納為式（1）：

式中：Hn-安為安裝線形；H目為目標(biāo)線形；為安裝至成橋時的累加位移量。

采用式（1）計(jì)算出所有節(jié)點(diǎn)的連線即為該橋鋼箱梁的安裝線形。

2.2 制造線形的計(jì)算方法推導(dǎo)

鋼箱梁在拼裝前，考慮到現(xiàn)場場地、運(yùn)輸、技術(shù)安裝和工期等各方面條件要求，在拼裝時才開始加工下料鋼箱梁是不切合實(shí)際的，往往需先分輪次地進(jìn)行鋼箱梁的制造，待制造完畢后再運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，要保證現(xiàn)場能順利完成拼裝，這需要對鋼箱梁的制造線形進(jìn)行精確計(jì)算，才能保證拼裝時焊縫寬度不過寬或過窄，鋼箱梁的線形最終順利達(dá)到設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)線形。

制造線形根據(jù)定義是無應(yīng)力狀態(tài)下的線形，以下分兩種情況進(jìn)行討論，即什么時候安裝線形可以當(dāng)做制造線形去用，什么時候安裝線形不能當(dāng)做制造線形去用。首先討論第一種情況，邊跨支架法拼裝施工，由于拼裝是所有梁段均處于無應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行連接,故此時邊跨的安裝線形即為制造線形，為各節(jié)點(diǎn)各階段位移累計(jì)的反號，支架法變形圖示見圖3。

圖3 第一種情況邊跨支架法拼裝安裝線形與制造線形相等

第二種情況，中跨纜索吊拼裝施工，在拼裝階段若像邊跨支架法一樣將安裝線形當(dāng)做制造線形來進(jìn)行制造。以中跨L2號梁為例，L2號梁在纜索吊拼裝前，剛開始L1號梁自重由纜索吊系統(tǒng)承擔(dān)，后轉(zhuǎn)換至橋梁結(jié)構(gòu)本身，此時L1號梁段的1號節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不處于安裝線形上，若按安裝線形當(dāng)做制造線形來進(jìn)行鋼箱梁制造，保持L2與L1角度和焊縫寬度不變，則L2號梁節(jié)點(diǎn)2標(biāo)高無法達(dá)到安裝線形上，該點(diǎn)將不可能達(dá)到目標(biāo)線形的位置上。若要保證節(jié)點(diǎn)2經(jīng)過后期各施工階段各種荷載作用下，最終達(dá)到目標(biāo)線形，則節(jié)點(diǎn)2安裝時必須要在計(jì)算好的安裝線形上，但此種情況會導(dǎo)致L1和L2號梁段夾角增大，夾角增大意味著焊縫寬度必然在加工廠制造拼裝的基礎(chǔ)上增加，若焊縫寬度過大，會導(dǎo)致現(xiàn)場焊縫質(zhì)量難以控制，不滿足焊接質(zhì)量要求，除此以外還可能會導(dǎo)致現(xiàn)場對原鋼箱梁尺寸進(jìn)行重新調(diào)整，增加了現(xiàn)場焊接時間，故對于纜索吊拼裝懸臂法施工鋼箱梁不能將安裝線形視作為制造線形，懸臂法變形圖示見圖4。

圖4 第二種情況纜索吊拼裝安裝線形與制造線形不相等

由于在L2號梁段由纜索吊拼裝時，L1號梁段已經(jīng)處于有應(yīng)力狀態(tài)，故不能直接求得各節(jié)點(diǎn)的制造線形?；谏鲜隹刂坪缚p寬度和安裝線形的必要性，若能同時保證焊縫寬度一定，各梁段節(jié)點(diǎn)達(dá)到安裝線形，最后成橋線形達(dá)到目標(biāo)線形，焊縫質(zhì)量及工期均得到良好保證，若按實(shí)際施工步驟進(jìn)行正裝迭代分析，并不能直接簡便地求得能同時解決上述問題的制造線形。此時應(yīng)該對計(jì)算方法變通處理，采用切線拼裝[1]，假設(shè)對懸臂安裝（除合龍段）所有節(jié)段進(jìn)行一次性激活，在沒有考慮各節(jié)段自重及其他荷載效應(yīng)的情況，所有節(jié)段均處于無應(yīng)力狀態(tài)，且各相鄰節(jié)段之間連接可認(rèn)為是順接的，不會出現(xiàn)焊縫加寬或變窄的情況，隨著各節(jié)段施工的進(jìn)行，對相應(yīng)待安裝梁段先不考慮自重，且由纜索吊裝系統(tǒng)進(jìn)行承載。

圖5 纜索吊裝懸臂施工簡化分析圖

現(xiàn)以L1號梁為例，此時1號節(jié)點(diǎn)剛好位于安裝線形上，1號節(jié)點(diǎn)位移量記為δ1-1，2號節(jié)點(diǎn)記為δ2-1，n號節(jié)點(diǎn)記為δn-1?，F(xiàn)進(jìn)行下一個施工步驟，由纜索吊裝系統(tǒng)承重轉(zhuǎn)至橋梁結(jié)構(gòu)本身，完成體系轉(zhuǎn)換，此時1號節(jié)點(diǎn)位移量記為δ1-2，2號節(jié)點(diǎn)記為δ2-2，n號節(jié)點(diǎn)記為δn-2。對后續(xù)步驟進(jìn)行重復(fù)，后面的未安裝梁同樣會隨著前面的節(jié)段在各施工節(jié)段的荷載效應(yīng)下進(jìn)行位移擺動，直至最后成橋，此時1號節(jié)點(diǎn)位移量記為δ1-n，2號節(jié)點(diǎn)記為δ2-n，n號節(jié)點(diǎn)記為δn-n。該制造線形計(jì)算方法與安裝線形計(jì)算的方法關(guān)鍵的不同之處在于，未安裝梁段的實(shí)體在前面施工步驟并沒有實(shí)際參與，但沿切線方向的虛擬梁段卻參與結(jié)構(gòu)實(shí)際變形。該方法得到的制造線形能同時解決焊縫寬度一定和節(jié)點(diǎn)到達(dá)安裝線形的問題，且梁段均為無應(yīng)力狀態(tài)，因此可以通過該方法計(jì)算成橋后各節(jié)點(diǎn)位移量來進(jìn)行制造線形的計(jì)算。

表2 各節(jié)點(diǎn)各施工步驟切線方向變形計(jì)算表 mm

根據(jù)上述推論，各節(jié)點(diǎn)制造線形表達(dá)式可歸納為式（2）：

式中：Hn-制為制造線形；H目為目標(biāo)線形；為切線法求得成橋時累計(jì)位移量。

采用式（2）計(jì)算出所有節(jié)點(diǎn)的連線即為該橋鋼箱梁的制造線形。

3 工程實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)以云南省保瀘高速勐古怒江特大橋[2]為工程應(yīng)用背景，該橋?yàn)槿邕B續(xù)半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋，主跨240 m，兩個邊跨為100 m，鋼箱梁共劃分為57個段，該橋橫跨怒江流域，處于峽谷地貌，不具備船運(yùn)要求，并結(jié)合技術(shù)難度、工期等各方面因素綜合考慮，最終施工方案定為先對邊跨采用纜索吊進(jìn)行鋼箱梁運(yùn)輸并在支架上完成拼裝，后對中跨采用纜索吊進(jìn)行鋼箱梁運(yùn)輸及拼裝的非對稱拼裝方案。根據(jù)以上計(jì)算方法，對該橋進(jìn)行相應(yīng)的線形控制計(jì)算，并在實(shí)際施工過程中進(jìn)行控制，該橋如期成功達(dá)到目標(biāo)線形，其誤差范圍均滿足規(guī)范要求，且焊縫寬度得到較好的控制。限于篇幅，表3只給出4個邊跨梁段和4個中跨梁段的安裝線形和制造線形值。

表3 部分鋼箱梁安裝線形和制造線形計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文對纜索吊懸拼拼裝基本流程進(jìn)行了介紹，并在實(shí)際施工工序基礎(chǔ)上，對箱梁安裝線形和制造線形計(jì)算方法進(jìn)行了理論推導(dǎo)，最后該計(jì)算方法在實(shí)際工程中的成功應(yīng)用，表明該方法可適用于鋼箱梁斜拉橋非對稱纜索吊裝施工的線形控制計(jì)算，對于峽谷地區(qū)場地受限的中小跨徑斜拉橋非對稱纜索吊拼裝施工的線形控制有借鑒意義，具有一定的參考價(jià)值。