大跨連續(xù)鋼桁拱橋吊索塔架系統(tǒng)設(shè)計與施工*

程建華

(中鐵大橋局第七工程有限公司,湖北 武漢 430050)

1 工程概況

江漢七橋位于武漢市漢江下游段,主橋為132m+408m+132m跨徑的3跨連續(xù)鋼桁系桿拱橋。中跨為橫向兩片變高“N”形桁式系桿拱,邊跨為變高度鋼桁梁;標準桁寬34m,漢口側(cè)邊跨桁寬漸變至39.5m。全橋?qū)ΨQ設(shè)56個節(jié)間,邊跨各11個節(jié)間,中跨34個節(jié)間,節(jié)間距12m;主跨矢高90m,拱頂桁高10m,支點桁高39m。橋面系采用正交異性鋼橋面板,中跨主縱梁兼作系桿;吊桿為雙吊桿形式,采用平行高強鋼絲束,順橋向間距12m。橋面寬度47m,雙向6車道(預留拓寬8車道條件),總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:m)Fig.1 General Layout of main bridge(unit:m)

2 總體施工方案

江漢七橋主橋按照“先邊后中、先拱后梁”的總體施工順序,鋼拱合龍后先張拉臨時系桿,然后懸臂架設(shè)鋼梁。

邊跨鋼桁梁采用臨時支架拼裝施工方案。漢陽側(cè)1～3節(jié)間采用400t履帶式起重機吊裝,漢口側(cè)1～10節(jié)間需跨越防洪大堤、城市主干道等,采用100t高空軌道門式起重機吊裝;其余節(jié)間采用100t拱上吊機吊裝。

中跨鋼桁拱采用“拱上吊機+吊索塔架”懸臂架設(shè)施工方案,同時采取漢陽側(cè)邊跨“平衡梁+壓重”、漢口側(cè)邊跨“錨拉+壓重”的組合措施形成平衡體系;鋼桁拱采取“邊支點起落梁+一側(cè)縱移+調(diào)索”合龍。

中跨鋼梁靠近河道的漢口側(cè)1～6節(jié)間、漢陽側(cè)1～4節(jié)間采用臨時支架拼裝,其余鋼梁采取300t橋面吊機整節(jié)段對稱懸臂架設(shè),直至跨中合龍。

分階段拆除臨時系桿、吊索塔架和壓重荷載進行體系轉(zhuǎn)換,最后進行吊桿索力和線形調(diào)整,完成主橋施工。

3 吊索塔架系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

吊索塔架設(shè)計以控制中跨鋼桁拱懸臂架設(shè)階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力和下?lián)献冃?充分利用邊跨自重和壓重、邊支點錨拉荷載形成吊索塔架與拱梁協(xié)同受力結(jié)構(gòu)為原則,合理設(shè)置塔高及吊索前后錨點位置。為減小邊跨鋼桁梁因壓重產(chǎn)生的應(yīng)力,將邊跨吊索設(shè)在壓重區(qū)改善鋼桁梁結(jié)構(gòu)受力;漢口側(cè)壓重區(qū)位于平曲變寬段,為避免錨索橫向不平衡水平力對塔架和鉸座產(chǎn)生較大的不利附加應(yīng)力,將吊索適當向跨中平直段前移,邊支點錨拉,并將合龍口設(shè)置在漢口側(cè)減少懸臂荷載;吊索塔架與拱梁形成結(jié)構(gòu)受力均衡、整體抗傾覆性能好、懸臂端變形小、易于合龍的體系,使得鋼桁拱結(jié)構(gòu)受力合理、懸臂架設(shè)安全穩(wěn)定。

3.2 吊索塔架系統(tǒng)總體布置

吊索塔架系統(tǒng)主要由塔架和吊索組成。吊索中跨側(cè)為扣索、邊跨側(cè)為錨索(見圖2)。塔架為空間組合塔柱,主要由上錨梁、塔柱節(jié)段、鉸座及橫、斜撐等組成,在拼裝過程中使用臨時風纜保持穩(wěn)定。塔架布置于主墩鋼桁梁頂部11節(jié)間,底部與鋼桁梁上弦鉸接,上下游各設(shè)一個塔肢,中間用橫撐、斜撐連接;塔肢橫向中心間距為34m(與主桁同寬),塔柱總高度89.6m。每個塔肢各設(shè)3對扣錨索,對稱錨固在A16,A20,A24節(jié)點上;錨索漢陽側(cè)錨固在A1’,A2’,A3’節(jié)點上;漢口側(cè)錨固在A3,A4,A5節(jié)點上。

圖2 吊索塔架體系總體布置(單位:m)Fig.2 General layout of sling tower system(unit:m)

3.3 吊索塔架體系計算

吊索塔架體系是主橋鋼桁拱架設(shè)的關(guān)鍵臨時結(jié)構(gòu),采用Midas-civil有限元軟件,建立空間有限元模型:主橋和吊索塔架被離散為13 626個單元,其中拱肋、系桿和吊索塔架采用梁單元,共9 058個單元;主梁橋面板采用板單元,共4 480個單元;扣錨索及主橋吊桿采用索單元,共88個單元。0～3號墩支座均采用鉸接,其中1號墩支座限制縱向水平位移。有限元模型如圖3所示。

圖3 吊索塔架體系計算模型Fig.3 Calculation model of sling tower system

為了保證拱肋最大懸臂階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,在邊跨架設(shè)完畢后,在0號墩附近節(jié)間施加7 000kN錨拉力和2 820t壓重,3號墩附近節(jié)間施加4 348.8t壓重,在主拱安裝至16,20,24節(jié)間時分別張拉1～3號扣錨索。通過對主橋中跨架設(shè)主要施工階段計算分析,當主拱安裝至第26節(jié)間時,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力199MPa,當主拱安裝至第28節(jié)間時(最大懸臂),抗傾覆系數(shù)最小為1.36,均滿足設(shè)計和規(guī)范要求(見表1);主拱兩側(cè)合龍口懸臂下?lián)现迪嗖?mm。

表1 中跨架設(shè)主要施工階段數(shù)據(jù)Table 1 Data of main construction stage of mid-span erection

3.3.1扣錨索計算

單側(cè)吊索塔架共設(shè)12根扣錨索,每根索由4束鋼絞線組成,鋼絞線為φ15.24mm,抗拉強度1 860MPa,彈性模量1.95×105MPa?？坼^索塔頂為張拉端,采用防松錨具;主桁端為錨固端,采用圓形P錨。根據(jù)吊索塔架高度從低到高分別設(shè)1號、2號、3號扣錨索,扣錨索在上下游鋼絞線截面配置一致(見表2)。

表2 扣錨索截面配置Table 2 Section configuration of buckle anchor cable

采用Midas-civil建立吊索塔架空間有限元模型,模型中扣錨索采用索單元,其余構(gòu)件均采用梁單元模擬;邊界條件為吊索塔架底部鉸軸處鉸接,拉索在鋼梁側(cè)固結(jié)。荷載及工況為結(jié)構(gòu)自重和索力分別與縱、橫向風荷載組合。

根據(jù)模型計算分析,鋼桁拱合龍階段和系桿合龍階段受力較為不利。其中系桿合龍階段塔架各構(gòu)件受力最不利,扣錨索的安全系數(shù)均大于2(見表3),滿足使用要求。

表3 扣錨索最大索力及安全系數(shù)Table 3 Maximum cable force and safety factor of buckle anchor cable

3.3.2塔架計算

塔架采用法蘭盤和M27螺栓栓接組裝式格構(gòu)鋼管柱,每個塔肢采用6根φ1 000×20鋼管,材質(zhì)為Q345B;橫向布置2組,間距2.2m;縱向布置3組,間距為2×3.5m。塔肢鋼管立柱組合為7m(底節(jié))+11×6m(標準節(jié))+3.65m(調(diào)整節(jié))+6.96m(頂節(jié))。塔肢間沿高度方向設(shè)4道橫撐和3道斜撐。

1)塔架位移 工況為系桿合龍+縱向風載作用于塔架時縱向位移最大,最大位移108.2mm;工況為系桿合龍+橫向風載作用于塔架時橫向位移最大,最大位移33.7mm。位移容許值為H/150=597.3mm,滿足要求。

2)塔架穩(wěn)定 對塔架進行屈曲分析,臨界荷載系數(shù)為16>5, 滿足要求。單側(cè)塔肢穩(wěn)定性:換算長細比19.5,屈曲應(yīng)力171.5MPa<240MPa,滿足要求。單根鋼管立柱穩(wěn)定性:長細比8.7,屈曲應(yīng)力221.8MPa<240MPa,滿足要求。

4 吊索塔架施工

鋼桁拱懸臂架設(shè)過程中,要對主拱姿態(tài)及線形、吊索塔架變形、扣錨索力和塔柱應(yīng)力、主橋基礎(chǔ)沉降等進行施工監(jiān)測,確保結(jié)構(gòu)安全。

4.1 吊索塔架施工順序

1)塔架構(gòu)件工廠內(nèi)制造,水運進入現(xiàn)場預拼。當拱上吊機前行過中支點后利用拱上吊機安裝鉸座,使用墩旁塔式起重機安裝塔架。

2)拱上吊機安裝鋼桁拱至A18節(jié)、A22節(jié)、A26節(jié)后分別安裝1號、2號、3號扣錨索。在扣錨索安裝前,分別提前2個節(jié)間開始邊跨第1次、第2次、第3次配重,先配重后張拉。1號扣錨索安裝完成后拆除臨時纜風繩。

3)拱上吊機安裝鋼桁拱至合龍后,橋面吊機安裝橋面系至合龍。

4)分階段拆除臨時系桿、吊索塔架和壓重荷載進行體系轉(zhuǎn)換,拆除順序按照安裝逆順序進行。吊索塔架拆除時要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,前后索力對稱卸載,塔柱垂直度控制在1/1 500以內(nèi);最下層扣錨索卸載前需要恢復臨時風纜和剛性撐腳。

4.2 鉸座及銷軸安裝

1)鉸座安裝 單個鉸座重約35t,頂部焊接吊耳。鉸座吊裝前,在A11節(jié)點上弦前后焊接墊柱、安裝墊梁作為鉸座的臨時剛性撐腳。采用拱上吊機側(cè)后方吊裝鉸座放置在剛性撐腳上,采用20t螺旋千斤頂輔助調(diào)整鉸座,使其與A11上的底座銷孔同心,固定鉸座。

2)銷軸安裝 銷軸直徑600mm,長2m,重約4.5t。在銷軸前端安裝M36螺栓、轉(zhuǎn)換鐵塊、鋼絞線,采用塔式起重機吊裝到A11上。將鋼絞線穿到另一端,使用27t穿心千斤頂將銷軸安裝到位,安裝好后在銷軸尾端設(shè)置鋼板限位。

4.3 塔架安裝

塔架安裝采用墩旁塔式起重機由下向上逐節(jié)分層進行,采用薄鋼板在法蘭盤間隙抄墊、螺栓連接。為消除構(gòu)件的加工誤差,采取塔架構(gòu)件在工廠內(nèi)制造,在拼裝現(xiàn)場“2+1”方式預拼;選擇在溫差較小的早晚時段拼裝,避免陽光偏曬,減少溫差對安裝精度的影響。

4.3.1立柱安裝

立柱按照柱底分配梁、底節(jié)立柱、中間節(jié)和頂節(jié)立柱、分配梁和上錨梁順序吊裝。

1)柱底分配梁 鉸座安裝完成后,吊裝3根柱底分配梁,下部與鉸座的螺栓連接。

2)底節(jié)立柱 先吊裝底節(jié)中間立柱,接著吊裝底節(jié)一側(cè)邊立柱、安裝水平桿,然后吊裝底節(jié)另一側(cè)邊立柱、安裝水平桿,最后將柱腳垂直度調(diào)整好后焊接柱腳。

3)中間節(jié)及頂節(jié)立柱 先安裝中間立柱,接著吊裝一側(cè)邊立柱、安裝水平桿,然后吊裝另一側(cè)邊立柱、安裝水平桿,直至完成頂節(jié)立柱吊裝。

4)吊裝分配梁和上錨梁 頂節(jié)立柱桿件安裝完后,吊裝頂節(jié)分配梁,微調(diào)頂節(jié)柱帽后將柱帽與鋼管焊接。最后安裝上錨梁,上錨梁與柱頂分配梁的墊座之間應(yīng)焊接牢固,避免單根錨梁左右掛索不平衡導致傾覆。

5)調(diào)整立柱垂直度 采用2,3,4mm不同厚度的薄鋼板,在立柱上下法蘭之間的間隙進行抄墊,使上下法蘭密貼,保證立柱垂直度。

4.3.2橫撐及斜撐安裝

橫撐及斜撐鋼管長度較大,考慮到現(xiàn)場塔式起重機的起重能力,將橫撐分3段,斜撐分2段進行吊裝。橫、斜撐隨同立柱由下至上安裝,兩側(cè)斜撐宜對稱,便于立柱垂直度調(diào)整;斜撐在滿足吊裝質(zhì)量的前提下可在邊側(cè)立柱上或者單獨進行吊裝,便于安裝并提高工效。

為保證橫撐和斜撐的精度,方便現(xiàn)場安裝,在加工時提前將每處的鋼管預拼好,將連接接頭焊接好。為確保同一處的橫撐、斜撐連接桿能在同一平面內(nèi),鋼管與立柱連接的接頭管標注好相貫線,確保與主管連接后相貫線角度正確。

4.4 扣錨索安裝、張拉

扣錨索采用塔式起重機吊裝,10t卷揚機整束牽引及2t手拉葫蘆輔助牽引方式安裝;采用27t穿心千斤頂逐根張拉預緊,采用 650t千斤頂整體張拉。

1)扣錨索掛設(shè) 鋼絞線在橋面下料,先掛塔端,第1層吊索采用塔式起重機在塔頂掛設(shè),第2,3層吊索采用塔頂卷揚機牽引安裝;后掛拱端,采用卷揚機整束牽引,在主桁上弦、拱上吊機上設(shè)置轉(zhuǎn)向輪;鋼絞線用手拉葫蘆輔助牽引入錨完成安裝。為增加張拉端錨具錨固安全性,抑制鋼絞線在風荷載下振動,使鋼絞線整形不打絞,在鋼絞線束上距離錨固端5m及張拉端頂口5m和20m處安裝固定穿孔減振板。

2)扣錨索張拉 扣錨索掛設(shè)好后,對索逐根張拉緊預緊,每根張拉至單根總張拉力的50%;剩余的50%索力,采取整索張拉,按照10%分級張拉至100%。單根及整索張拉及以索力控制,并保證同束索內(nèi)單索力以及整束索力均勻度不大于2%,所有扣錨索在單根預緊及整體張拉過程中必須對稱進行。

5 結(jié)語

江漢七橋主橋采用大跨度連續(xù)鋼桁拱橋,施工難度大,精度要求高,通過采取有限元計算分析,科學合理地確定塔架高度和扣錨索布置方案,實現(xiàn)了大跨度鋼桁拱懸臂架設(shè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均衡、抗傾覆性能好、線形控制好,其合龍口相對里程、軸偏和高程的偏差值分別為10,4,8mm,實現(xiàn)了鋼拱合龍口高精度控制目標。在鋼桁拱施工過程中,通過不斷優(yōu)化吊索塔架安裝施工組織,提高施工效率,保證了項目順利通車并投入使用。