非對(duì)稱組合梁斜拉橋轉(zhuǎn)體施工敏感性分析

邢 云，周 煒，沈毅凱

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 201108）

0 引言

橋梁轉(zhuǎn)體施工，是一種將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線位置澆筑或拼接成形后，利用摩擦系數(shù)很小的滑道及合理的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)體使結(jié)構(gòu)就位的施工方法[1，2]。該施工方法能夠有效減少對(duì)既有交通的影響，是跨越繁忙既有線路的橋梁施工首選，可在斜拉橋、拱橋、剛構(gòu)橋等多種結(jié)構(gòu)形式中應(yīng)用[3]。

非對(duì)稱橋梁進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工時(shí)，轉(zhuǎn)體合龍是施工關(guān)鍵控制內(nèi)容[4，5]。本文以某轉(zhuǎn)體施工的大跨度非對(duì)稱組合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工過程中主梁支架剛度、斜拉索初始張拉力、梁體配重等施工因素的敏感性分析。研究影響結(jié)構(gòu)受力和線形的因素，為結(jié)構(gòu)順利轉(zhuǎn)體提供支撐，可為同類橋梁參考。

1 工程背景

1.1 結(jié)構(gòu)概況

本文研究對(duì)象為雙塔單索面鋼混組合梁斜拉橋，橋跨布置為（105+310+155）m，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

斜拉橋主橋結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系，塔墩固結(jié)，塔梁間設(shè)置支座體系及液壓阻尼器，橫向設(shè)置抗風(fēng)支座，兩邊墩及輔助墩設(shè)置豎向支撐。主橋加勁梁采用鋼混組合梁，橫斷面全寬35 m，混凝土橋面板采用C60 預(yù)制板，厚28 cm?；炷翗蛎姘逶趦蛇呄浞秶鷥?nèi)設(shè)置。斜拉橋主塔設(shè)計(jì)為縱向“人”字型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔結(jié)構(gòu)由下、中、上塔柱及塔冠部分組成。斜拉索采用中央索面布置，橫橋向采用雙排索，呈扇形布置，全橋共96 根斜拉索。

1.2 施工方案

由于該橋涉及跨鐵路施工，因此采用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)主梁合龍。主要的施工步驟為：（1）基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩身及主塔施工；（2）在完成墩身及塔身的施工之后，順鐵路方向搭設(shè)鋼管支架；（3）分別在7 號(hào)塔和8號(hào)塔兩側(cè)拼裝鋼梁、安裝預(yù)制橋面板，并將預(yù)制橋面板與鋼梁結(jié)合；（4）安裝轉(zhuǎn)體段邊箱內(nèi)永久壓重塊；（5）從橋塔中心向兩側(cè)一次安裝并張拉斜拉索；（6）主梁脫離支架；（7）安裝兩端頂升支架及千斤頂支撐體系，通過調(diào)節(jié)頂升支架頂力，使兩側(cè)橋塔和主梁體系保持平衡狀態(tài)，達(dá)到轉(zhuǎn)體狀態(tài)；（8）轉(zhuǎn)體施工；（9）調(diào)整邊跨配重，使邊跨梁段落于支座上；（10）封固球鉸，卸載臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)支撐體系；（11）拼裝邊跨段；（12）施工完箱內(nèi)永久壓重段，卸除臨時(shí)壓重塊；（13）中跨合攏；（14）張拉橋面板縱向鋼束；（15）施工橋面鋪裝及橋面附屬設(shè)施；（16）索力調(diào)整。

2 有限元模型

采用MIDAS CIVIL 建立斜拉橋模型，其中主梁、橋塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。模型整體如圖2 所示。全橋共473 個(gè)單元，684 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中主梁單元307 個(gè)，橋塔單元70 個(gè)，索單元96 個(gè)。全橋的邊界條件為：斜拉索與橋塔、主梁之間的連接通過剛性連接模擬，支座通過一般支承模擬，橋塔和橋墩底部完全固結(jié)。

圖2 模型整體示意圖

模型共分為31 個(gè)施工階段，其中通過施工階段聯(lián)合截面模擬組合梁施工，通過僅受壓節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬主梁施工支架，通過剛性連接模擬塔梁臨時(shí)固結(jié)。

3 支架剛度敏感性分析

斜拉橋主梁施工過程中，轉(zhuǎn)體鋼梁部分的拼裝以及預(yù)制橋面板的澆筑均在支架上進(jìn)行。研究首先進(jìn)行施工過程的支架剛度敏感性分析。

取支架剛度為1×105～1×106kN/m，分別得到不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的彎矩，如圖3所示。由圖3 可得，支架剛度對(duì)主梁的內(nèi)力影響很小，這是由于支架解除后的結(jié)構(gòu)體系外部靜定，主梁的內(nèi)力狀態(tài)主要取決于拉索索力。分析結(jié)果與理論吻合。

圖3 不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的彎矩圖（單位：kN/m）

計(jì)算不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的位移（向上為正，下同），如圖4 和表1 所示。由圖4 和表1 可知：（1）7 號(hào)塔和8 號(hào)塔主梁位移隨著支架剛度的增大而略有減小。（2）支架剛度對(duì)兩側(cè)中跨主梁懸臂端位移差影響較小。支架剛度由1×105kN/m提升至1×106kN/m 時(shí)，位移差由31.9 mm 減小到30.5 mm，僅減小了1.4 mm。

表1 不同支架剛度下的主梁中跨懸臂端位移

圖4 不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的位移（單位：mm）

4 初始索力敏感性分析

斜拉橋主梁脫離支架之前，需在支架上進(jìn)行斜拉索的張拉。斜拉索的初始張拉力至關(guān)重要，對(duì)主梁脫離支架后的內(nèi)力和位移都會(huì)產(chǎn)生重要影響，需進(jìn)行相應(yīng)的敏感性分析。

分別將所有斜拉索的初始張拉力調(diào)整為設(shè)計(jì)初始張拉力的0.95、1.05、1.10（張拉力系數(shù)）倍，計(jì)算不同初始張拉力下的主梁在脫離支架后的彎矩，如圖5 所示。由圖5 可知：斜拉索初始張拉力對(duì)主梁內(nèi)力有很大的影響。隨著全橋初始索力的增大，兩側(cè)主梁中跨及邊跨的負(fù)彎矩逐漸減小，靠近橋塔處主梁的正彎矩逐漸增大。這表明增大初始索力能夠減小主梁跨中處的內(nèi)力，且同時(shí)會(huì)增大塔根處主梁的內(nèi)力。在實(shí)際工程中，應(yīng)合理調(diào)節(jié)斜拉索的初始張拉力，盡量使主梁內(nèi)力分布合理、均勻。

圖5 不同初始張拉力下主梁在支架拆除后的彎矩圖（單位：kN/m）

除了內(nèi)力之外，斜拉索初始張拉力也會(huì)影響主梁的位移。計(jì)算不同初始張拉力下的主梁在脫離支架后的位移，如圖6 和表2 所示。分析圖6 和表2 可得：

表2 不同初始張拉力下的主梁中跨懸臂端位移

圖6 不同初始張拉力下的主梁在支架拆除后的彎矩圖（單位：mm）

（1）主梁位移對(duì)斜拉索的初始張拉力非常敏感，5%的初始張拉力的改變會(huì)使得主梁位移發(fā)生成倍數(shù)的變化。

（2）初始張拉力的改變會(huì)導(dǎo)致主梁脫離支架后的形態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)初始張拉力較小時(shí)，主梁脫離支架后呈現(xiàn)下?lián)系男螒B(tài)，當(dāng)初始張拉力較大時(shí)，主梁脫離支架后開始呈現(xiàn)上抬的形態(tài)。

（3）初始張拉力由設(shè)計(jì)值的0.95 倍增至1.10 倍的過程中，7 號(hào)塔主梁中跨懸臂端位移由-79.8 mm逐漸減小然后增至50.3 mm，8 號(hào)塔主梁中跨懸臂端位移由-146.6 mm 逐漸減小然后增至104.9 mm，兩側(cè)中跨懸臂端位移差由66.8 mm 先減小然后增至54.6 mm。這表明適當(dāng)調(diào)整初始張拉力可以減小主梁脫離支架后的位移以及兩側(cè)中跨懸臂端位移差，初始張拉力過大或過小都對(duì)主梁不利。

5 平衡壓重敏感性分析

在斜拉橋轉(zhuǎn)體施工之前，需要保證橋塔和主梁體系保持平衡狀態(tài)，即橋塔底部彎矩接近于0。由于轉(zhuǎn)體前主梁邊跨長度小于中跨長度，需要在主梁邊跨設(shè)置壓重以達(dá)到平衡狀態(tài)。邊跨壓重從主梁懸臂端開始配置，其具體形式如圖7 所示，其中q1和q2表示壓重單位重量，L1和L2表示壓重范圍。

圖7 壓重形式示意圖

以塔底彎矩為0 的目標(biāo)進(jìn)行不同壓重荷載下壓重范圍的設(shè)計(jì)：當(dāng)單位重量較大時(shí)，壓重范圍減小，若單位重量較小，壓重范圍增大。不同的壓重方式對(duì)斜拉橋內(nèi)力和線形產(chǎn)生影響。因此，本節(jié)對(duì)主梁平衡壓重進(jìn)行敏感性分析。

該橋的設(shè)計(jì)平衡壓重為7 號(hào)塔主梁771 kN/m，8號(hào)塔主梁340 kN/m。分別計(jì)算當(dāng)壓重單位重量為設(shè)計(jì)值的0.8、1.1、1.2 倍（壓重系數(shù)）時(shí)，為保證平衡所需的壓重范圍及壓重總重，如表3 所示。由表3 可知，壓重總重隨著壓重系數(shù)的增大而減小，壓重系數(shù)由0.8 增至1.2 時(shí)，壓重總重減小1 010 kN，降幅為4.4%，相對(duì)較小。

表3 不同壓重系數(shù)所需壓重范圍及壓重總重

圖8 為不同壓重系數(shù)下主梁在支架拆除后的彎矩圖，由圖8 可知：

圖8 不同壓重系數(shù)下的主梁在支架拆除后的彎矩（單位：kN/m）

（1）壓重單位重量對(duì)邊跨主梁內(nèi)力有較大的影響，而對(duì)中跨主梁內(nèi)力的影響很小。

（2）主梁脫離支架之后，平衡壓重會(huì)使得邊跨主梁靠近懸臂端處產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，且最大負(fù)彎矩值會(huì)隨著單位重量的增大而增大；壓重系數(shù)由0.8 增至1.2 的過程中，7 號(hào)塔邊跨主梁的最大負(fù)彎矩由-16 255 kN/m 增至-51 595 kN/m，8 號(hào)塔邊跨主梁的最大負(fù)彎矩由-24 611 kN/m 增至-34 880 kN/m，變化幅度都很大。這表明增大壓重單位重量后，荷載的過度集中對(duì)主梁的受力不利，彎矩過大有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，因此在施工中，壓重方案應(yīng)充分考慮主梁的受力情況。

壓重在改變主梁內(nèi)力的同時(shí)，必然會(huì)對(duì)斜拉橋拉索索力產(chǎn)生影響。在拉索初張力相同的情況下，計(jì)算不同壓重系數(shù)下斜拉橋各拉索在支架拆除后的索力，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同壓重系數(shù)下支架拆除后的拉索索力（單位：kN）

由圖9 可知：

（1）壓重單位重量對(duì)兩側(cè)中跨拉索索力影響很小，但對(duì)邊跨跨中拉索索力有一定的影響。

（2）隨著壓重單位重量的增大，邊跨外側(cè)幾根拉索索力值逐漸增大，而邊跨跨中至塔根范圍的拉索索力值逐漸減小。

（3）壓重單位重量對(duì)邊跨最外側(cè)拉索索力值影響最大。壓重系數(shù)由0.8 增至1.2 的過程中，7 號(hào)塔邊跨最外側(cè)拉索索力值由6 158 kN 增至6 355 kN，8 號(hào)塔邊跨最外側(cè)拉索索力值由6 541 kN 增至6 674 kN。在轉(zhuǎn)體施工之前，兩側(cè)主梁處于懸臂狀態(tài)，邊跨最外側(cè)拉索對(duì)主梁內(nèi)力會(huì)產(chǎn)生較大影響。在實(shí)際施工調(diào)整配重時(shí)，需考慮拉索索力的變化。

除此之外，壓重對(duì)主梁的位移也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，需要進(jìn)一步分析平衡壓重對(duì)斜拉橋主梁位移的影響。計(jì)算不同壓重系數(shù)下主梁在支架拆除后的位移，如圖10 和表4 所示。

圖10 不同壓重系數(shù)下的主梁在支架拆除后的位移（單位：mm）

表4 不同壓重系數(shù)下的主梁中跨懸臂端位移

由圖10 和表4 可知：

（1）當(dāng)壓重的單位重量較小時(shí)，脫離支架后，兩側(cè)邊跨懸臂端的位移為正，即主梁存在上翹的趨勢；當(dāng)單位重量增大時(shí)，邊跨懸臂端位移變?yōu)樨?fù)，且位移隨著單位重量的增大而增大。這表明增大單位重量，可以減小主梁跨中懸臂端的下?lián)?，但同時(shí)會(huì)增大主梁邊跨的下?lián)稀?/p>

（2）兩側(cè)主梁中跨懸臂端的位移均隨著單位重量的增大而減小，但單位重量對(duì)兩側(cè)中跨懸臂端位移差影響較小。當(dāng)單位重量由設(shè)計(jì)值的0.8 倍增大至1.2 倍的過程中，兩側(cè)中跨懸臂端位移差在29.8～30.6 mm 之間浮動(dòng)，最大波動(dòng)差僅0.8 mm。

6 結(jié)論

本文采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)影響某座非對(duì)稱組合梁斜拉橋轉(zhuǎn)體合龍結(jié)果的因素進(jìn)行了敏感性分析，得出以下結(jié)論：

（1）架設(shè)主梁所用的支架剛度對(duì)主梁內(nèi)力影響很小，但對(duì)主梁脫離支架后的位移存在影響，較大剛度的支架能夠一定程度上抑制主梁的下?lián)?，但支架剛度?duì)兩側(cè)中跨主梁懸臂端位移差的影響較小。

（2）斜拉索的初始張拉力對(duì)主梁內(nèi)力和位移均有很大影響。增大初始張拉力能夠減小主梁跨中處的彎矩，但同時(shí)會(huì)增大塔根處主梁的彎矩。隨著初始張拉力的增大，主梁脫離支架后的形態(tài)由下?lián)限D(zhuǎn)變?yōu)樯咸?，主梁位移以及兩?cè)中跨懸臂端位移差則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

（3）增大單位重量可以減小主梁跨中懸臂端的下?lián)?，同時(shí)會(huì)增大主梁邊跨的下?lián)?，但?duì)兩側(cè)中跨懸臂端位移差影響較小。

（4）壓重單位重量對(duì)拉索索力有一定的影響，主梁脫離支架后，壓重單位重量對(duì)邊跨最外側(cè)拉索索力值影響最大。

（5）壓重單位重量對(duì)邊跨主梁內(nèi)力有較大影響，壓重單位重量的增大會(huì)顯著增大主梁邊跨的負(fù)彎矩。