空間雙索面自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

魏建發(fā),潘小虎,銀慶友,朱孟艷,安 碧

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710054;2.中鐵一局集團(tuán)有限公司第三工程分公司,陜西 寶雞 721006)

近年來(lái),隨著城市交通不斷發(fā)展,空間索面自錨式懸索橋因其造型優(yōu)美、跨越能力強(qiáng)以及不受地質(zhì)條件限制而被廣泛應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)[1-3]。如天津富民橋、青島海灣大橋、獨(dú)塔的廣州獵德大橋、雙塔的杭州江東大橋、美國(guó)的舊金山新奧克蘭海灣橋及韓國(guó)的永宗大橋等[4-10]?？臻g索面懸索橋其主纜與吊索形成了一個(gè)三維、穩(wěn)定的索系,其主纜被錨固于主梁上,決定了該橋型大多采用“先梁后纜”法施工,即先架主梁后架主纜,然后進(jìn)行吊索安裝和張拉,完成加勁梁自重由臨時(shí)支撐承擔(dān)通過(guò)吊索轉(zhuǎn)換到由主纜承擔(dān),主纜由空纜線形變化到成橋線形,實(shí)現(xiàn)自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換。

吊索張拉是體系轉(zhuǎn)換施工過(guò)程的關(guān)鍵工序,它不僅使加勁梁脫離臨時(shí)支撐,而且使主梁、主纜的線形符合設(shè)計(jì)要求,主塔塔頂縱向位移及塔身應(yīng)力滿足安全要求。針對(duì)體系轉(zhuǎn)換施工,本文主要從吊索張拉施工方案制定與優(yōu)化、主梁與橋塔施工控制等方面進(jìn)行了研究,并對(duì)成橋吊索索力、主梁撓度及橋塔塔偏與理論值進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 工程概況

聯(lián)盟路渭河大橋主橋?yàn)榭臻g雙索面自錨式懸索橋,主橋設(shè)置16#、17#兩座70 m高主塔,橋跨布置為(95+200+95) m,全長(zhǎng)390 m,橋面總寬29 m,其中200 m為主跨,95 m為邊懸吊跨,主梁采用混合梁的形式。全橋共設(shè)2根主纜,矢跨比為1/5,線形為分段式三維空間懸鏈線,主塔處橫橋向的中心間距為25.4 m,錨固點(diǎn)處主纜橫向間距為21.76 m,中跨跨中主纜橫向間距為22.24 m。單根主纜由19股索股組成,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 770 MPa。索股由91根Φ5.3 mm預(yù)制平行高強(qiáng)鍍鋅鋼絲索 (PPWS) 編排而成,兩端各設(shè)1個(gè)套筒式熱鑄錨頭。主纜經(jīng)過(guò)散索套后,呈輻射狀分散展開為單股,穿過(guò)各自導(dǎo)管,分別錨固于錨墩位置混凝土主梁內(nèi)后錨室端面上。

吊索采用預(yù)制平行鋼絲吊索,縱向間距9 m,共74根,雙層PE護(hù)套防護(hù)。每個(gè)索夾設(shè)1根吊索,單根吊索由151根Φ5 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 670 MPa,上端通過(guò)叉形耳板與索夾銷接,下端通過(guò)LZM5-151冷鑄錨頭螺母、球鉸與主梁上的錨墊板連接。吊點(diǎn)編號(hào)從主纜散索點(diǎn)向主跨跨中方向編號(hào),編號(hào)依次為S8～S1和M1～M11號(hào),具體見圖1。

圖1 寶雞市聯(lián)盟路渭河大橋立面布置(單位:m)

2 吊索張拉方案制定與施工優(yōu)化

2.1 制定吊索張拉施工方案步驟

吊索張拉施工方案須明確張拉順序、步驟和方法,制定鞍座頂推步驟,確定分次頂推的時(shí)機(jī)和頂推量。吊索張拉順序宜從主塔向跨中進(jìn)行,張拉時(shí)應(yīng)同步、分級(jí)、均勻施力,且應(yīng)以拉力和拉伸長(zhǎng)度進(jìn)行雙控,并以拉力為主[11]。

根據(jù)以上要求,確定吊索張拉方案步驟如下:

(1) 擬定吊索張拉的初步順序?yàn)?由主塔向跨中,對(duì)稱張拉。

(2) 運(yùn)用有限元軟件對(duì)吊索張拉過(guò)程進(jìn)行仿真模擬,模擬過(guò)程中根據(jù)塔頂偏位及塔柱應(yīng)力確定主索鞍頂推時(shí)機(jī)及頂推量(擬定主索鞍向中跨方向頂推)。

(3) 查看計(jì)算結(jié)果,根據(jù)構(gòu)造及安全要求以及“吊索張拉次數(shù)、張拉千斤頂數(shù)量、接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度盡量少或者短”原則進(jìn)行施工方案優(yōu)選。構(gòu)造及安全要求為:體系轉(zhuǎn)換后主梁、主纜的線形應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,吊索張力與理論張力誤差控制在±10%以內(nèi),小于吊索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 670 MPa;加勁鋼梁拉應(yīng)力不能超過(guò)180 MPa,應(yīng)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求;主塔塔身不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,且壓應(yīng)力不能超過(guò)1.83 MPa,保證結(jié)構(gòu)安全。

2.2 吊索張拉初始方案

根據(jù)吊索張拉的次數(shù)對(duì)吊索張拉方案進(jìn)行分類,可以分為一次張拉法和多輪循環(huán)張拉法。一次張拉法是將吊索一次性張拉至無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng),只需張拉一次,只張拉一輪;多輪循環(huán)張拉法主要用于在吊索張拉過(guò)程的中期,主纜剛度已較大時(shí),為了不使吊索索力超限,需對(duì)多根吊索采用多次循環(huán)張拉的方式施工到成橋無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)以保證結(jié)構(gòu)的安全。

初始吊索張拉方案采用一次張拉法施工,全橋吊索分為5組按先后順序進(jìn)行安裝,整體順序?yàn)橛蓸蛩騼蓚?cè)對(duì)稱安裝,先安裝橋塔附近中跨吊索及所有邊跨吊索,后安裝中跨跨中吊索。

(1) 索鞍預(yù)偏49 cm后進(jìn)行第1組吊索(邊跨S1～S6,中跨M1～M6)。對(duì)稱安裝、張拉S1、M1至設(shè)計(jì)位置→對(duì)稱安裝、張拉S2、M2至設(shè)計(jì)位置→對(duì)稱安裝、張拉S3、M3至設(shè)計(jì)位置→對(duì)稱安裝、張拉S4、M4至設(shè)計(jì)位置→對(duì)稱安裝、張拉S5、M5至設(shè)計(jì)位置→對(duì)稱安裝、張拉S6、M6至設(shè)計(jì)位置,此過(guò)程中無(wú)需接長(zhǎng)桿。

(2) 第2組吊索(邊跨S7～S8)。對(duì)稱安裝、張拉S7、S8至設(shè)計(jì)位置后索鞍頂推24 cm,此過(guò)程中無(wú)需接長(zhǎng)桿。

(3) 第3組吊索(中跨M7)。對(duì)稱安裝、張拉M7至設(shè)計(jì)位置后索鞍頂推18 cm,其中吊索M7接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為1 m。

(4) 第4組吊索(中跨M8～M9)。對(duì)稱安裝、張拉M8、M9至設(shè)計(jì)位置后索鞍頂推3 cm,其中吊索M8接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為2.5 m,吊索M9接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為3 m。

(5) 第5組吊索(中跨M10～M11)。對(duì)稱安裝、張拉M10,同時(shí)同步安裝、張拉M11至設(shè)計(jì)位置,其中吊索M10接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為2.5 m,吊索M11接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為2 m。第5組吊索張拉及二期恒載施工完成后主索鞍頂推4 cm后鎖定。

采用有限元仿真分析,可得上述體系轉(zhuǎn)換方案各工況的吊索力、主梁撓度及主塔塔偏的數(shù)據(jù)變化過(guò)程,具體見圖2。

圖2 吊索、主梁及主塔應(yīng)力及位移的變化過(guò)程

由圖2可知,在施工過(guò)程所有吊索力中M9的索力峰值最大,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值為522 MPa,遠(yuǎn)小于1 770 MPa,吊索安全;在整個(gè)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中,主梁最大撓度值為40 cm,主梁成橋撓度考慮混凝土收縮徐變之后,主梁跨中撓度為2 cm,同時(shí)主梁在整個(gè)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)力不超限,主梁結(jié)構(gòu)安全;16#橋塔縱向偏位最大值為3.5 cm,17#橋塔縱向偏位最大值為3.4 cm,均發(fā)生在拆支架施工階段,隨著主纜的荷載逐漸加大,橋塔逐漸向跨中偏移,為防止塔偏過(guò)大,需要及時(shí)對(duì)索鞍進(jìn)行頂推,同時(shí)橋塔在整個(gè)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中始終未出現(xiàn)拉應(yīng)力,且壓應(yīng)力也滿足限值要求。

2.3 吊索張拉方案的優(yōu)化

該橋在體系轉(zhuǎn)換施工過(guò)程中,原定張拉順序?yàn)?半側(cè)以主塔為對(duì)稱中心,整橋以M11號(hào)吊點(diǎn)為中心,首先依次對(duì)稱張拉至S6、M6號(hào)吊索,其次對(duì)稱張拉S7～S8號(hào)吊索,然后依次對(duì)稱張拉M7～M11號(hào)吊索。但在實(shí)際張拉施工過(guò)程中,張拉M7號(hào)吊索時(shí),發(fā)現(xiàn)存在主纜剛度較大、M7及M8號(hào)吊索很難一次張拉到位、M9號(hào)吊索接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度不夠等問(wèn)題。

基于對(duì)初始體系轉(zhuǎn)換方案的仿真分析,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件,決定采用循環(huán)張拉法解決上述問(wèn)題,對(duì)初始吊索張拉方案中的第3～5組吊索進(jìn)行優(yōu)化,具體操作為:

(1) 第3組吊索(中跨M7～M8)。對(duì)稱安裝、張拉M7至664 kN→對(duì)稱安裝、張拉M8至1 160 kN→張拉M7至1 426 kN→張拉M8至1 400 kN,其中吊索M7接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為1 m、吊索M8接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為2 m。經(jīng)測(cè)量下游吊索M7張力為854.421 kN,上游為853.369 kN;下游吊索M7張力為945.265 kN,上游為954.361 kN。

(2) 第4組吊索(中跨M9～M11)。對(duì)稱安裝、張拉M9至1 400 kN→對(duì)稱安裝、張拉M10至990 kN→張拉M11至616 kN,其中吊索M9、M10、M11接長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為2 m。吊索索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 吊索張拉后實(shí)測(cè)與理論吊索索力

2.4 體系轉(zhuǎn)換過(guò)程吊索索力變化

體系轉(zhuǎn)換作用集中發(fā)生在第4組吊索(中跨跨中吊索)安裝過(guò)程中,該過(guò)程中主纜線形、吊索內(nèi)力和傾角、臨時(shí)支撐受力等的變化幅度較大。按優(yōu)化吊索張拉方案施工,索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。從表1中可知,二期鋪裝施工后,同一編號(hào)的吊索上下游差值均小于50 kN,滿足施工控制精度的要求,且索力較為均勻,全橋吊索索力與索力理論值(774.323 kN)的偏差基本在5%以內(nèi),總體索力偏差全部小于10%,滿足施工控制精度要求。表1中吊索S8長(zhǎng)度太短，因此測(cè)不出索力數(shù)據(jù)。

2.5 主索鞍頂推施工的優(yōu)化

空纜狀態(tài)主索鞍向跨中方向預(yù)偏49 cm,體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中通過(guò)主索鞍朝中跨方向多次頂推,防止橋塔偏位過(guò)大出現(xiàn)拉應(yīng)力危及主塔結(jié)構(gòu)安全。對(duì)吊索張拉方案進(jìn)行優(yōu)化,與此同時(shí)結(jié)合“小步快跑”法進(jìn)行索鞍頂推,主索鞍頂推方案優(yōu)化前后對(duì)比如表2所列。

表2 主索鞍頂推方案優(yōu)化前后對(duì)比

2.6 臨時(shí)支架拆除

第4組吊索張拉完成后,全橋主梁均已脫離支架,務(wù)必及時(shí)拆除梁底臨時(shí)支架。否則,支架對(duì)主梁的豎向支撐將改變二次調(diào)索時(shí)的結(jié)構(gòu)體系,嚴(yán)重影響對(duì)吊索實(shí)際成橋索力的計(jì)算,增加調(diào)控工作量。臨時(shí)支架的拆除順序?yàn)?先拆邊跨,再拆主跨。原因在于邊跨主梁撓度較小,二次調(diào)索及索鞍頂推會(huì)受到邊跨支架的限制,因此要先從邊跨開始拆除臨時(shí)支架。邊跨的臨時(shí)支架拆除從邊跨跨中向兩側(cè)進(jìn)行。

3 體系轉(zhuǎn)換過(guò)程主梁施工控制

3.1 主梁成橋預(yù)拱度分析

自錨式懸索橋以施加完二期荷載后為成橋狀態(tài)。采用有限元參數(shù)法針對(duì)二期荷載后管線荷載、車輛動(dòng)荷載以及混凝土收縮徐變對(duì)主梁跨中撓度的影響進(jìn)行分析。

(1) 據(jù)估算,管線荷載為8.4 kN/m,主梁中跨跨中撓度下?lián)显隽繛?.1 cm;

(2) 考慮橋塔混凝土收縮徐變期為1 000天,主梁中跨跨中撓度下?lián)显隽繛?.2 cm;

(3) 根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ11-2011)汽車荷載采用城-A級(jí)雙向四車道布置[12],縱向折減系數(shù)0.97,橫向折減系數(shù)0.67,動(dòng)力沖擊系數(shù)1.05,并對(duì)全橋進(jìn)行移動(dòng)荷載分析,考慮汽車荷載,主梁中跨跨中撓度下?lián)显隽繛?6.4 cm。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2019)要求,自錨式懸索橋在平衡態(tài)下預(yù)拱度取1/2可變荷載頻遇值計(jì)算的長(zhǎng)期撓度之和[13],經(jīng)計(jì)算主梁中跨跨中預(yù)拱度設(shè)置為3.1+3.2+16.4/2=14.5 cm。

3.2 體系轉(zhuǎn)換對(duì)主梁撓度的影響

體系轉(zhuǎn)換施工過(guò)程中,每個(gè)工況結(jié)束,均需對(duì)全橋主梁標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)實(shí)測(cè)標(biāo)高數(shù)據(jù)得到的撓度數(shù)據(jù)見表3。

表3 體系轉(zhuǎn)換過(guò)程主梁撓度

從表3中可知,在體系轉(zhuǎn)換前期(第1～2組張拉后),吊索整體張力較小,主梁撓度幾乎為零;當(dāng)?shù)?組吊索張拉完成時(shí),中跨發(fā)生大幅度上撓,中跨跨中撓度最大可達(dá)43.1 cm;調(diào)索結(jié)束后,主梁撓度大幅下降;二期鋪裝施工后,纜索體系剛度較大,索鞍頂推對(duì)主梁撓度影響較大,隨著索鞍的頂推固定,中跨跨中主梁下降,邊跨主梁回升。

二期鋪裝施工后(管線未施工),成橋主梁中跨跨中標(biāo)高與設(shè)計(jì)值之間的差值為上游14.1 cm,下游13.5 cm,與理論值14.5 cm偏差很小,滿足施工要求?？紤]管線荷載、汽車荷載、混凝土收縮徐變?cè)O(shè)置的預(yù)拱度,隨著時(shí)間的推移,主梁撓度將不斷向設(shè)計(jì)值靠攏。

4 體系轉(zhuǎn)換過(guò)程橋塔施工控制

4.1 橋塔成橋預(yù)偏量分析

自錨式懸索橋在成橋過(guò)程中，二期荷載、管荷載及混凝土收縮徐變還會(huì)使橋塔位置產(chǎn)生偏移，因此針對(duì)以上3個(gè)影響因素對(duì)主塔偏移的影響進(jìn)行有限元分析。

(1) 施加完二期荷載后,16#橋塔塔頂理論偏位為0 cm,17#橋塔塔頂理論偏位為向邊跨側(cè)偏位0.2 cm,滿足成橋狀態(tài)的塔直要求。

(2) 考慮后期管線荷載8.4 kN/m及橋塔混凝土收縮徐變期1 000天之后,16#橋塔理論向跨中側(cè)偏位1.65 cm,相較平衡態(tài),向跨中側(cè)偏位增量1.65 cm;17#橋塔理論向跨中側(cè)偏位0.94 cm,相較平衡態(tài),向跨中側(cè)偏位增量1.14 cm。

綜上所述,為了能夠保證橋塔在后期管線荷載及考慮收縮徐變作用下能回到豎直狀態(tài),需在二期荷載施加完時(shí)預(yù)留橋塔塔頂理論偏位?？紤]到模型的對(duì)稱性,為了消除數(shù)值分析偏差,預(yù)偏量取值為兩個(gè)橋塔塔頂理論偏位平均值,即在二期荷載施加完時(shí)16#、17#橋塔塔頂理論偏位均為向邊跨側(cè)偏位1.4 cm。

4.2 體系轉(zhuǎn)換對(duì)橋塔偏位的影響

體系轉(zhuǎn)換施工過(guò)程中,每個(gè)工況結(jié)束,需對(duì)全橋主塔進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)實(shí)測(cè)橋塔偏位數(shù)據(jù)(見表4)可知,與控制目標(biāo)相比,4根塔柱塔頂?shù)目v橋向偏差最大為0.4 cm,遠(yuǎn)小于2 cm的控制誤差允許值,在后期管線荷載及收縮徐變作用下,預(yù)計(jì)橋塔將實(shí)現(xiàn)鉛錘直立狀態(tài)。

表4 體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中橋塔偏位

5 結(jié)論

(1) 在吊索張拉過(guò)程中,針對(duì)吊索M9因?yàn)榻娱L(zhǎng)桿長(zhǎng)度受限而無(wú)法安裝的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)吊索M7及M8進(jìn)行循環(huán)張拉,同時(shí)結(jié)合“小步快跑”法進(jìn)行主索鞍頂推,優(yōu)化了吊索張拉方案,實(shí)現(xiàn)了全橋纜索系統(tǒng)的合理化施工。

(2) 在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中,針對(duì)主梁撓度進(jìn)行實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),吊索安裝完成時(shí)主纜中跨跨中上撓達(dá)到峰值,調(diào)索結(jié)束后,主梁撓度大幅下降,二期鋪裝施工后,索鞍頂推對(duì)主梁撓度影響較大,隨著索鞍的頂推固定,中跨跨中主梁下降,邊跨主梁回升。

(3) 在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中,對(duì)橋塔偏位進(jìn)行實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),隨著吊索張拉和二期鋪裝的施工,結(jié)合“小步快跑”法進(jìn)行主索鞍頂推,可使橋塔逐步向跨中偏移,直至到達(dá)理論位置。