馬碧波, 肖 剛, 廖劉算
(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司, 杭州 310006)
溫州甌江北口大橋為世界首座3塔4跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋,采用雙層橋面設(shè)計,上層為寬33.0 m的高速公路;下層為寬32.5 m的一級公路。其纜跨布置為230 m+800 m+800 m+348 m=2 178 m,如圖1所示,加勁梁采用雙層板桁組合鋼桁梁,半飄浮體系[1-2]。項目所在水域年平均潮差3.94 m,最大潮差5.35 m;平潮期航道水深約8 m~10 m;設(shè)計最高通航水位4.61 m,設(shè)計最低通航水位-3.35 m;本項目地處浙江東南沿海,氣象條件惡劣,受臺風影響大,橋位處基本風速43.2 m/s。
單位:m
纜索系統(tǒng)的布置需確定主纜IP點的高程、轉(zhuǎn)索以及散索角度,橋位處塔頂有永強機場航空限高限制,要求不超過+154 m,梁底有通航凈空53.5 m限制。經(jīng)比選1/10~1/11.5的矢跨比后發(fā)現(xiàn):主纜采用1/10矢跨比時,中塔處主纜抗滑移和主梁剛度指標最好,同時塔頂高程和最短吊索長度均滿足要求,可最大程度減小主纜拉力和錨碇負載。塔頂IP點高程最終確定為+151 m,吊索下吊點布置在鋼桁梁下層橫梁懸挑處,但主跨跨中約300 m纜梁相交區(qū)由于受空間限制而無法采用常規(guī)纜載吊機進行吊裝,需采用大型浮吊或分體式纜載吊機進行吊裝施工。
塔頂IP點高程和矢跨比確定后,由于兩中跨對稱,即中塔兩側(cè)的轉(zhuǎn)索角已定,因此只需確定邊塔處轉(zhuǎn)索角度和散索鞍處散索角度。邊塔處轉(zhuǎn)索角度主要是控制邊塔兩側(cè)轉(zhuǎn)索角度的差值,若角度差太大,會造成背索布置過多而無法錨固。由于樂清側(cè)錨碇擴大基礎(chǔ)受地形開挖限制,經(jīng)比選后其散索鞍處IP點高程定為+48 m,樂清側(cè)邊塔主索鞍轉(zhuǎn)索角度差值最大,達到7.6°,經(jīng)計算需設(shè)置3對背索。散索鞍處散索角度也是控制散索鞍處兩側(cè)轉(zhuǎn)索角度的差值,若角度差太小,會造成錨跨側(cè)頂層索股與鞍槽接觸長度過短,從而導致頂層索股無法壓緊出現(xiàn)脫空。瑞安側(cè)錨碇受沉井基礎(chǔ)頂標高限制,IP點高程定為+38 m,其散索鞍處轉(zhuǎn)索角度差值最小,達到18.7°,剛好滿足要求。
考慮貓道布置寬度以及纜載吊機工作空間后,主纜橫橋向間距確定為41.8 m,主纜與鋼桁梁之間的凈距不小于1.8 m,如圖2所示。本橋荷載48.7 t/m,其中一期恒載約35.5 t/m,為控制鋼桁梁吊裝重量,吊索標準間距按縱橋向10 m布置,鋼桁梁最大吊裝重量約813 t。
國內(nèi)懸索橋主纜鋼絲強度級別一般采用1 770 MPa、1 860 MPa[3-5],近年來有個別大跨度橋梁擬采用更高強度2 000 MPa以上的鋼絲[6]。甌江北口大橋主纜高強鋼絲自重占總恒載的比例約為14%,如果將主纜鋼絲級別由1 860 MPa提高到1 960 MPa,主纜鋼絲用量減少5.4%,總恒載減少0.81%??紤]采用強度更高的1 960 MPa高強鋼絲后,盤條的來源較為單一、受控因素多,因此主纜最終采用169股抗拉標準強度為1 860 MPa預制平行鋼絲索股(PPWS)。每根索股由127根Φ5.4的高強度鍍鋅鋼絲組成。主纜緊纜成形后其索夾內(nèi)直徑為889 mm(北邊跨)、874 mm(中跨和南邊跨),索夾外直徑為900 mm(北邊跨)、885 mm(中跨和南邊跨)。通長索股每盤重約54 t,背索索股重約8 t,如圖3所示。
若采用A型混凝土剛性中塔[7-8],其成橋狀態(tài)抗推剛度將達到260 MN/m,中塔主纜與索鞍之間的抗滑移安全問題尤為突出。為解決該難題,大橋創(chuàng)新性地設(shè)計了高摩擦性能索鞍[9]。通過設(shè)置豎向摩擦板,如圖4所示,增加主纜與索鞍間的摩擦面以提高其名義摩擦系數(shù)。豎向摩擦板沿高度方向為整體結(jié)構(gòu),沿順橋向分為對稱的2塊,底部與鞍槽采用開坡口全熔透焊接。共設(shè)置14道厚12 mm~16 mm整體式豎向摩擦板,其橫向凈距與索股寬度保持一致,為61 mm。為驗證方案的可行性,在主纜與鞍槽滑移機理、側(cè)向力理論與計算、高摩擦性能索鞍結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作工藝上開展了一系列研究與技術(shù)攻關(guān)[10-12]。采用豎向摩擦板設(shè)計的索鞍經(jīng)過抗滑移性能評估計算后,其名義摩擦系數(shù)取值從0.15提高到0.3以上,使得中塔主纜的抗滑移安全系數(shù)達到2.0以上,計算結(jié)果見表1。
單位:mm
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主纜作為懸索橋主要承力結(jié)構(gòu),后期幾乎不可更換[13]。甌江北口大橋所處的大氣環(huán)境屬于C5-M高腐蝕環(huán)境,主纜防腐體系要求高,采用S形鋼絲+磷化底漆/環(huán)氧底漆+硫化型橡膠密封劑+柔性氟碳面漆+主纜除濕系統(tǒng)的配套體系。同時因存在纜梁相交區(qū),為防止火災對主纜造成不可逆的損傷,對中跨跨中220 m范圍內(nèi)的主纜進行阻燃隔熱防火設(shè)計。
圖4 中塔豎向摩擦板索鞍構(gòu)造效果圖
目前,防火型式主要有防火涂料和防火纏包帶2種[14-15]。防火涂料粘結(jié)力一般約為3 MPa,但在橋梁運營過程中易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象;防火纏包帶主要有陶瓷化復合隔熱阻燃包帶、復合纖維耐火隔熱阻燃包帶、氣凝膠隔熱阻燃包帶3種。經(jīng)調(diào)研比選,氣凝膠隔熱阻燃包帶與主纜防腐體系具有良好的兼容性和延展性,且能適應主纜變形,不對主纜密封產(chǎn)生影響,與此同時,二者采用纏包方式結(jié)合,在主纜的振動、風荷載作用下具有良好的粘結(jié)性。為此,本項目在主纜防腐體系的硫化型橡膠密封劑與柔性氟碳面漆之間增設(shè)一層5 mm厚的氣凝膠隔熱阻燃層,以滿足防火設(shè)計要求,如圖5所示。
表1 中塔主纜抗滑移主要荷載工況計算結(jié)果
(a) 立面
(b) 剖面
傳統(tǒng)索鞍由上下分塊的多片隔片形成索槽,隔片本身不參與受力,每塊隔片高度約200 mm~250 mm,根據(jù)索股入鞍進度分層疊加。因此,對于傳統(tǒng)索鞍而言,進行索股入鞍操作時索股單次入索槽的深度較小,人工可進去操作,隔片不會影響索股入鞍。甌江北口大橋采用高摩擦性能索鞍索股入鞍,與傳統(tǒng)索鞍相比,在施工上有如下特點和難點:1) 采用傳統(tǒng)方法入鞍時,索股下方無支撐,進入鞍槽的索股處于無約束狀態(tài),易造成跳絲、散絲等問題,入鞍過程難以精確控制;2) 高摩擦性能索鞍采用的整體式豎向摩擦板為主要受力構(gòu)件,一次焊接成形,索槽狹長而深度大,索槽底部人工無法直接到達進行相應操作;3) 鞍槽最深處約907.5 mm,入鞍時需借助外力頂推索股入鞍,無法保證索股鋼絲在鞍槽內(nèi)的排列及成型質(zhì)量,造成鋼絲受力不均,且施工過程易導致摩擦板變形量大,影響索股入鞍。
為解決深槽索股入鞍帶來的問題,研發(fā)了索股入鞍專用裝備,如圖6所示。索股入鞍專用裝備主要由行走軌道、設(shè)備框架、頂推壓桿、導引小車等部件組成。入鞍順序從鞍槽一端開始,向另一端推進,由行走系統(tǒng)在前面牽引,頂推壓桿在索股上面施壓,導引小車在索股下面支撐。行走系統(tǒng)從一端行走到另一端,索股從端頭往端尾逐漸安裝到位。采用索股入鞍專用裝備,有效提高了高摩擦性能索鞍中進行索股入鞍施工的質(zhì)量和效率。
圖6 索股入鞍專用裝備
吊索的選型除受主纜直徑約束外,還要保證與主梁連接的可靠性。甌江北口大橋吊索設(shè)置于下層橋面,考慮到平行鋼絲吊索具有強度高、吊索截面小、防腐性能好、與主梁的牛腿連接構(gòu)造簡單等優(yōu)勢,擇優(yōu)采用了銷接式平行鋼絲吊索。
吊索縱向標準間距10.0 m,主塔兩側(cè)最近處吊索到主塔中心線距離采用2個節(jié)間長度20 m布置,其目的是降低主塔處主梁支座負反力,同時減小主塔附近擾流風作用下長吊索的振動。
除梁端兩側(cè)每吊點設(shè)置3根吊索外,其余每個吊點設(shè)置2根吊索。吊索采用鋼絲標準抗拉強度1 770 MPa預制平行鋼絲束,單根普通吊索由151Φ5鍍鋅高強鋼絲構(gòu)成,單根特殊吊索由223Φ5鍍鋅高強鋼絲構(gòu)成。
吊索在錨口處設(shè)置一段熱軋無縫鋼管(連接筒)與錨頭相連,鋼管與吊索之間填充密封材料,以改善吊索的彎折疲勞性能;考慮到該橋設(shè)計風速大,為適應主纜的橫向位移,防止纜、梁位移不同步造成吊索彎折疲勞破壞,所有吊索錨頭處均設(shè)有適應橫向轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)軸承。
施工時,吊索運至安裝點下面,從索夾處放下吊繩,穿過貓道,將吊索向上吊升,直至插入耳板,對準銷孔,安裝銷軸及擋板。
1) 為減少主纜傾角不同造成索夾類別過多的問題,將長度、角度相近的索夾并為一組,同一組索夾耳板銷孔位置略有變化,以適應索夾傾角的變化;
2) 為使2個銷孔保持水平并盡量避免吊索偏心受力,銷孔對稱于通過索夾中心的垂直線布置,各類索夾上均設(shè)有安裝主纜檢修道立柱的相應構(gòu)造;
3) 為防止索夾螺桿處進水,同時增強氣密性,設(shè)置了螺桿和螺母防水罩;
4) 為便于施工監(jiān)測時防止索夾滑移,靠近索塔區(qū)的索夾螺桿長度在設(shè)計時應加長,以預留安裝穿心式壓力環(huán)監(jiān)測螺桿應力。
1) 施工時索夾先吊至塔頂,通過專用吊具沿主纜運至安裝位置;
2) 精確定位后,穿入螺桿并按首次安裝夾緊力張拉螺桿;
3) 在加勁梁安裝完畢及主纜防護前,再經(jīng)2次張拉以補足螺桿拉力。
甌江北口大橋主橋設(shè)計為3塔4跨連續(xù)結(jié)構(gòu),相比于3塔2跨或單跨結(jié)構(gòu),受力更復雜,施工難度更大,主要結(jié)論如下:
1) 為滿足通航凈空與航空限高的要求,吊索吊點設(shè)于下層橋面;主纜除采用了防腐設(shè)計外還增設(shè)了防火功能,較好地解決了纜梁相交區(qū)的主纜安全性問題。
2) 針對剛性中塔3塔懸索橋主纜的滑移問題,中塔索鞍采用了特殊防滑設(shè)計,以低成本徹底解決了困擾多塔懸索的“中塔效應”問題。
3) 索股入鞍采用了自動化、智能化的專用裝備,提供了主纜入深槽索鞍的合理解決方案,解決了高摩擦性能索鞍帶來的安裝難題。
甌江北口大橋已于2022年5月建成通車,其設(shè)計意圖得以實現(xiàn),索股架設(shè)功效較以往懸索橋均有所提高。