大跨寬幅鋼箱梁斜拉橋主梁線形控制

鄭建新，于哲，翁方文

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

大跨寬幅鋼箱梁斜拉橋主梁線形控制

鄭建新1，2，于哲3，翁方文1，2

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

沌口長(zhǎng)江公路大橋?yàn)榭鐝轿蹇缫宦?lián)雙塔雙索面縱向半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋。主梁除塔區(qū)及墩頂梁段采用支架安裝外，其余梁段均采用懸臂架設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)成橋線形控制目標(biāo)，采用有限元軟件建立分析模型，對(duì)該橋不對(duì)稱施工荷載下線形控制措施及架設(shè)過程安全性、主梁無應(yīng)力制造線形、參數(shù)敏感性、寬幅鋼箱梁吊裝匹配等進(jìn)行了精確的分析。結(jié)果表明，通過無應(yīng)力索長(zhǎng)控制，可以實(shí)現(xiàn)成橋及主梁制造無應(yīng)力線形的對(duì)稱性，確保施工安全；對(duì)主梁自重和斜拉索下料長(zhǎng)度等影響線形的主要敏感性因素進(jìn)行識(shí)別，能有效實(shí)現(xiàn)成橋線形控制目標(biāo)；采用在腹板位置設(shè)置馬板進(jìn)行調(diào)節(jié)，能達(dá)到斷面線形匹配的目的。

大跨寬幅鋼箱梁；斜拉橋；主梁架設(shè)；敏感性分析；匹配分析；線形

沌口長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)槲蹇缫宦?lián)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置（100+275+760+275+ 100）m，全長(zhǎng)1 510 m，為縱向半漂浮體系斜拉橋。橋型布置如圖1所示。

主塔采用A型索塔，塔高233.7 m。主梁為PK斷面鋼箱梁，箱梁總寬46 m（含風(fēng)嘴），中心線處梁高4.0 m，主梁節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度12 m，標(biāo)準(zhǔn)橫梁間距3.0 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。全橋共240根1 860 MPa平行鋼絲斜拉索。

圖1 沌口大橋橋型布置圖（單位：m）Fig.1 Overall layout of Zhuankou Bridge（m）

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）Fig.2 Standard cross section of the main beam（cm）

1 鋼箱梁總體架設(shè)方法

全橋鋼箱梁共14種類型，127個(gè)節(jié)段。輔助墩、過渡墩頂梁段、塔區(qū)0～2號(hào)梁段利用大型浮吊吊裝于支架上進(jìn)行定位，最大起吊重量約408 t；輔助墩與過渡墩之間梁段和臨時(shí)墩頂梁段先期采用浮吊吊裝于矮支架上存梁，后采用橋面吊機(jī)雙懸臂對(duì)稱吊裝，最大起吊重量約354 t。

懸臂施工鋼箱梁采用雙橋面吊機(jī)吊裝，南、北岸中跨、北岸邊跨鋼箱梁采用225 t鋼絞線提升系統(tǒng)橋面吊機(jī)，單臺(tái)吊機(jī)重約95 t，南岸邊跨采用BL-250卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)變幅橋面吊機(jī)，單臺(tái)吊機(jī)重約140 t。

結(jié)合施工方案及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本橋主梁架設(shè)具有以下難點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)跨度大，懸臂長(zhǎng)，幾何非線性影響較為顯著；

2）輔助墩與過渡墩之間梁段由設(shè)計(jì)圖支架安裝改為懸臂吊裝，導(dǎo)致合龍口增多，線形控制比較困難；

3）橋面吊機(jī)荷載較設(shè)計(jì)圖雙幅150 t大幅增加，且存在邊、中跨吊機(jī)荷載不對(duì)稱，增加了控制的難度；

4）主橋橋面寬，橫向剛度小，梁段吊裝時(shí)已成梁段與被吊梁段間形成錯(cuò)臺(tái)，梁段匹配不易。

2 鋼箱梁架設(shè)分析

充分考慮沌口大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工特點(diǎn)，在制定主梁總體架設(shè)控制方案時(shí)，采用制造、安裝的全過程控制，建立基于幾何控制法的自適應(yīng)控制體系，其目的是盡量使成橋結(jié)構(gòu)線形、內(nèi)力的大小和分布與設(shè)計(jì)目標(biāo)相吻合。

利用Midas Civil有限元軟件建立該橋的空間梁?jiǎn)卧Ｐ停?jì)算分析結(jié)構(gòu)施工過程的受力狀況、鋼箱梁無應(yīng)力制造線形、結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性等。全橋共劃分為1 467個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 688個(gè)單元。斜拉索單元兩端節(jié)點(diǎn)建在設(shè)計(jì)錨固位置，與橋塔和鋼箱梁的連接用剛臂（梁?jiǎn)卧┠M，永久支座用一般彈性連接模擬，支架（索塔區(qū)托架、輔助墩梁段支架、過渡墩梁段支架）采用只受壓彈性連接模擬。

2.1 主梁架設(shè)全過程分析

施工方案臨時(shí)荷載較設(shè)計(jì)臨時(shí)荷載有顯著增加，且南、北兩個(gè)塔橋面吊機(jī)荷載不一致，若全部以索力控制，則會(huì)導(dǎo)致主梁部分區(qū)域應(yīng)力較大，并影響主梁制造線形的對(duì)稱性。施工控制時(shí)，斜拉索一張按計(jì)算索力進(jìn)行張拉；合龍口處斜拉索二張以索力控制來調(diào)整合龍口狀態(tài)，待相應(yīng)合龍段施工完畢后恢復(fù)至其無應(yīng)力長(zhǎng)度，其它斜拉索二張均以成橋無應(yīng)力索長(zhǎng)控制。成橋索力偏差及施工過程主梁應(yīng)力包絡(luò)圖如圖3、圖4所示。

圖3 計(jì)算索力與設(shè)計(jì)索力偏差圖Fig.3 Deviation of calculation and design cable force

圖4 施工過程主梁應(yīng)力包絡(luò)圖Fig.4 Stress envelope of main beam at construction stage

通過成橋無應(yīng)力索長(zhǎng)的控制，成橋索力與設(shè)計(jì)索力偏差小于±3%，索力吻合較好，且施工過程斜拉索安全系數(shù)不小于2.50。

針對(duì)臨時(shí)荷載大，懸臂梁端應(yīng)力幅值增加及合龍口不能直接匹配的問題，通過索力先超張拉，待合龍施工完成恢復(fù)至成橋無應(yīng)力索長(zhǎng)的優(yōu)化方式，有效控制施工過程主梁最大應(yīng)力為-98.0 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平處于合理范圍。

2.2 主梁無應(yīng)力制造線形

無應(yīng)力制造線形是主梁在不承受自重和外荷載作用下的線形，無應(yīng)力制造線形亦是梁段無應(yīng)力狀態(tài)下的安裝線形，直接影響主梁成橋線形。主梁預(yù)拱度按照成橋撓度+1/2靜活載作用下主梁撓度之和反向設(shè)置。根據(jù)計(jì)算得到的主梁預(yù)拱度及設(shè)計(jì)線形，疊加得到主梁的無應(yīng)力制造線形[1]。計(jì)算分析中需考慮鋼箱梁的軸向壓縮修正。鋼箱梁制造無應(yīng)力線形如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)0位置為主跨跨中。主梁最大預(yù)拱度為382 mm。全橋主梁制造線形沿主跨跨中對(duì)稱。

圖5 主梁制造無應(yīng)力線形圖Fig.5 The manufacture non stress linear shape of the main beam

2.3 參數(shù)敏感性分析

參數(shù)敏感性分析是進(jìn)行主梁線形控制的必要前提。針對(duì)大跨度鋼箱梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感度問題，當(dāng)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)單參數(shù)敏感性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，可以揭示大跨度斜拉橋的力學(xué)行為特點(diǎn)，并確定影響主梁線形的關(guān)鍵敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)，為制造階段和施工階段控制容許誤差的確定、誤差修正及最優(yōu)控制決策提供科學(xué)依據(jù)[2]。

計(jì)算考察的結(jié)構(gòu)參數(shù)類別及變化見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化表Table 1 Changes of structural parameters

結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)成橋線形影響量如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)0位置為主跨跨中。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)成橋線形影響Fig.6 Influence of structural parameter changes on completed bridge geometric shape

計(jì)算表明，主梁自重對(duì)成橋線形影響顯著，自重增加5%，成橋線形影響量達(dá)157 mm，因此鋼箱梁制造過程中采取對(duì)梁段進(jìn)行逐一稱重，根據(jù)稱重結(jié)果及時(shí)進(jìn)行誤差分析和線形調(diào)整；另外拉索長(zhǎng)度誤差為-L/20 000時(shí)，成橋線形影響量達(dá)76 mm，制造過程中需嚴(yán)格控制拉索的下料長(zhǎng)度。通過鋼箱梁和斜拉索無應(yīng)力制造過程的控制，能有效實(shí)現(xiàn)主梁成橋線形控制目標(biāo)。

3 寬幅鋼箱梁吊裝匹配分析

大跨度流線形扁平鋼箱梁斜拉橋，在主梁懸臂拼裝過程中，已成梁段、被吊梁段由于受力不同，變形存在較大差異。若變形過大則影響梁段的順利匹配。為了解鋼箱梁懸臂拼裝施工時(shí)梁段匹配端的相對(duì)變形，采用有限元模型分析了梁段拼接截面在吊機(jī)作用下的相對(duì)變形。

根據(jù)施工方案，吊機(jī)自重作用前支反力為28.6 t，后錨反力為3.5 t，支點(diǎn)錨點(diǎn)各4個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)梁段重心位置距向塔側(cè)端部為6.216 m。吊裝過程中吊機(jī)單個(gè)前支點(diǎn)反力為92.8 t，單個(gè)后錨點(diǎn)反力為-22.1 t。

梁段匹配時(shí)頂板以邊腹板位置對(duì)齊，用于調(diào)整橫向相對(duì)變形的大碼作用于邊腹板及中腹板處。

已成梁段大碼作用位置如圖7所示，被吊梁段與已成梁段大碼作用位置相同，作用力相反。

圖7 已成梁段大碼作用位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the force acting position of the completed beam

利用Midas FEA有限元軟件建立梁段板單元分析模型，梁段匹配截面加碼前及按大碼力F= 100 t試算加碼后頂板橫向變形如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)0位置為橋面中心線處。

圖8 頂板橫向變形圖Fig.8 Lateral deformation of the top plate

頂板匹配過程以外腹板位置對(duì)齊，已成梁段與被吊梁段頂板最大相對(duì)錯(cuò)臺(tái)28.7 mm。F=100 t的大碼力使已成梁段和被吊梁段頂板外側(cè)相對(duì)變形差縮小23 mm，按線性規(guī)律，若要保證接口斷面匹配線形一致，圖7中每個(gè)位置約需124.8 t的大碼力。采用在腹板的位置設(shè)置“L”形馬板進(jìn)行調(diào)節(jié)[3-5]。

4 結(jié)語

本文以沌口長(zhǎng)江公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合鋼箱梁架設(shè)方案，采用有限元分析模型，對(duì)該橋不對(duì)稱施工荷載下線形控制及架設(shè)過程安全性、主梁無應(yīng)力制造線形、參數(shù)敏感性、寬幅鋼箱梁吊裝匹配等進(jìn)行了分析研究，并得到如下結(jié)論：

1）針對(duì)臨時(shí)荷載大，懸臂梁端應(yīng)力幅值增加及合龍口不能直接匹配的問題，通過索力先超張拉，待合龍施工完成恢復(fù)至成橋無應(yīng)力索長(zhǎng)的優(yōu)化方式，有效控制施工過程主梁最大應(yīng)力為-98.0 MPa，且成橋索力與設(shè)計(jì)索力偏差小于±3%，施工過程斜拉索安全系數(shù)不小于2.50。

2）主梁的無應(yīng)力制造線形由主梁預(yù)拱度及設(shè)計(jì)線形疊加得到。主梁最大預(yù)拱度為382 mm。

3）主梁自重及拉索長(zhǎng)度誤差對(duì)成橋線形影響顯著，自重增加5%，成橋線形影響量達(dá)157 mm，拉索長(zhǎng)度誤差為-L/20 000時(shí)，成橋線形影響量達(dá)76 mm，制造過程中需要對(duì)主梁自重和斜拉索下料長(zhǎng)度等影響線形的主要敏感性因素進(jìn)行識(shí)別。

4）頂板匹配過程以外腹板位置對(duì)齊，已成梁段與被吊梁段頂板最大相對(duì)錯(cuò)臺(tái)28.7 mm，采用在腹板位置設(shè)置“L”形馬板施加124.8 t的大碼力，能達(dá)到斷面線形匹配的目的。

[1] 梅曉亮，張志強(qiáng).港珠澳大橋深水區(qū)非通航孔橋鋼箱梁架設(shè)線形分析[J].橋梁建設(shè)，2016，46（1）：106-110. MEI Xiao-liang,ZHANG Zhi-qiang.Analysis of installation geometric shapes of steel box girder of non-navigable span bridge of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge over deep water area[J].Bridge Construction,2016,46(1)：106-110.

[2]黃燦，趙雷，卜一之.特大跨度斜拉橋幾何控制法單參數(shù)敏感性分析[J].公路交通科技，2012，29（5）：70-75. HUANG Can,ZHAO Lei,BU Yi-zhi.Sensitivity analysis of singleparameters for super-span cable-stayed bridge based on geometry control method[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2012，29(5)：70-75.

[3] 周文.江順大橋主橋順德側(cè)鋼箱梁架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[J].中外公路，2015，35（5）：143-149. ZHOU Wen.Key erection technology of steel box girder of Jiangshun Bridge with Shunde side[J].Journal of China&Foreign Highway,2015,35(5)：143-149.

[4]陳鳴，黃朝暉，劉鵬.蘇通大橋?qū)挕⒅貥?biāo)準(zhǔn)梁段吊裝與匹配技術(shù)[J].公路交通科技，2009（5）：144-147. CHEN Ming,HUANG Chao-hui,LIU Peng.Hoisting and matching technology of wide and heavy standard beam of Sutong Bridge[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009(5):144-147.

[5] 郝超，邱松定.大跨度鋼斜拉橋扁平鋼箱梁懸拼階段相對(duì)變形研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2002，2（17）：34-37. HAO Chao,QIU Song-ding.The relative deformation study of flat steel box-shaped girder of long-span cable-stayed bridge during cantilever construction[J].Steel Construction,2002,2(17):34-37.

Geometric control of large span cable-stayed bridge with wide steel box girder

ZHENG Jian-xin1,2,YU Zhe3,WENG Fang-wen1,2
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China; 2.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology,Ministry of Communication,Wuhan,Hubei 430040,China; 3.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430056,China）

Zhuankou Yangtze Highway Bridge is a cable-stayed bridge of longitudinal half-floating system with 5 spans and double-pylon double-plane.In addition to the beam segments over the pylon pier tops using the bracket installation,the remaining beams are taking cantilever erection.To realize the bridge geometric control target,we used the finite element software to modeling erection process safety and the bridge geometric control measures on asymmetric construction load,the unstressed manufacturing geometric shapes,structural parameter sensitivity,wide box girder hoisting matching.The results indicate that the bridge and girder unstressed manufacturing geometric shapes symmetry and the construction safety can be realized through the control of unstressed length of cables.By the structural parameter sensitivity identify of main beam weight and cable unstressed length,can effectively realize the bridge geometric control target.Using the mask in the web plate,can realize the section line matching.

large and wide span steel box girder;cable-stayed bridge;main girder erection;sensitivity analysis;matching analysis;geometric

U448.27

A

2095-7874（2016）12-0035-05

10.7640/zggwjs201612007

2016-07-26

2016-08-18

中國交建項(xiàng)目（2012-ZJKJ-16）

鄭建新（1982— ），男，湖北紅安人，碩士，工程師，橋梁與隧道工程專業(yè)。E-mail：173240029@qq.com