單跨懸索橋主索鞍頂推施工控制研究

(重慶市市政設(shè)計研究院 重慶 400020)

單跨懸索橋主索鞍頂推施工控制研究

李國強

(重慶市市政設(shè)計研究院重慶400020)

懸索橋在施工過程中,要求主纜的索股在索鞍中不發(fā)生相對的滑移,以免主纜的索股受到磨損。這使得在加勁梁吊裝過程中，主塔會發(fā)生很大位移。為了確保懸索橋的主塔在加勁梁吊裝過程中始終處于安全受力狀態(tài)，合理確定主索鞍頂推量和頂推階段至關(guān)重要。以重慶寸灘長江大橋為工程背景，提出了一種通過有限元模型模擬索鞍頂推過程的方法，實現(xiàn)了索鞍頂推時機、頂推力大小及頂推量的同時求解。

懸索橋；索鞍頂推；反力架；頂推力

主索鞍是塔頂承受主纜的主要構(gòu)件，在懸索結(jié)構(gòu)施工控制中，鞍座頂推起著重要作用。加勁梁吊裝施工中索塔的理想狀態(tài)是只承受偏心豎向壓力，無偏位，這只有鞍座在塔頂可以自由滑動時才能達到。在實際加勁梁吊裝施工時，鞍座如果縱向無約束，可能會克服摩擦力，出現(xiàn)大幅度滑移，因此在施工過程中鞍座通常與塔頂做臨時固結(jié)。但隨著主跨吊裝梁段數(shù)增加，中跨荷載與邊跨荷載差值越來越大，中跨側(cè)與邊跨側(cè)主纜水平分力差值也越來越大，邊塔和邊塔鞍座向中塔側(cè)偏移，導(dǎo)致邊塔塔底岸側(cè)壓應(yīng)力逐步減少甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，跨中側(cè)壓應(yīng)力不斷增加。為避免塔底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，需要在主梁吊裝過程中對塔頂主索鞍進行頂推。

一、工程概況

寸灘長江大橋位于重慶機場專用快速路工程南段，全長1.6km，里程樁號范圍k2+600～k4+200，為城市快速路，設(shè)計速度80km/h，雙向八車道，包括跨江主橋和南北引橋兩部分，跨江主橋為主跨880m的單跨懸索橋，橋面寬度38m，南北兩岸引橋總長720m。

懸索橋采用有限元軟件分析時要根據(jù)研究目標來建立相應(yīng)精度的模型，本模型采用設(shè)計計算通用有限元分析軟件Midas/Civil 2015。該模型由633個單元組成，其中含有節(jié)點683個。采用33個施工階段對整個施工過程及鋼箱梁吊裝過程進行模擬，計算解得了各個施工階段的內(nèi)力、位移以及應(yīng)力結(jié)果。

二、頂推分析的計算

(一)主索鞍頂推的原因

懸索橋空纜狀態(tài)時主纜內(nèi)力相當(dāng)于成橋狀態(tài)主纜內(nèi)力減去吊索、加勁梁荷載引起的內(nèi)力，中跨減小多，邊跨減小少，如果結(jié)構(gòu)跨度不發(fā)生變化，空纜狀態(tài)時邊塔兩側(cè)主纜內(nèi)力水平分量差必然很大，不平衡分力就會由邊塔變形來消除，可能導(dǎo)致以下后果：

(1)不平衡力導(dǎo)致橋塔偏位和橋塔塔底彎矩很大，這種狀況對于混凝土高聳結(jié)構(gòu)的橋塔是非常危險的；

(2)不平衡力可能導(dǎo)致主纜克服鞍槽內(nèi)的摩擦力滑動，主纜架設(shè)精度難以保證；

(3)鞍槽摩擦將不平衡力從主纜傳遞至索鞍，保證索鞍在橋塔上不發(fā)生滑動需要的索鞍限位裝置要求較高，增加施工難度，提高造價。

基于以上原因必須盡量減小主纜不平衡力，而懸索橋主纜內(nèi)力受跨度影響很大，因此懸索橋施工中通過在邊塔索鞍設(shè)置預(yù)偏和索鞍頂推的方式來改變跨度，進而改善主纜內(nèi)力，使橋塔偏位和塔底彎矩在控制范圍內(nèi)。

(二)索鞍預(yù)偏量計算原則

對懸索橋鞍座頂推量與頂推時間是否選擇恰當(dāng)，主要應(yīng)驗算橋塔塔底的應(yīng)力以及主纜在鞍槽內(nèi)的抗滑移安全系數(shù)。

對于混凝土橋塔塔底應(yīng)力驗算，文獻[1]指出:對于混凝土橋塔塔底應(yīng)力的控制，一般采用截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力且壓應(yīng)力小于0.5倍的軸心抗壓強度標準值;但對于施工短暫狀況，可考慮將不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件放寬到拉應(yīng)力不大于0.7倍的軸心抗拉強度標準值。文獻[2]指出橋塔截面應(yīng)保持一定的壓應(yīng)力，以避免施工過程中因偶然荷載或突發(fā)情況導(dǎo)致應(yīng)力減少至0，甚至出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。可見目前對塔底應(yīng)力的控制沒有統(tǒng)一的標準。嚴格控制塔底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，必將增加頂推次數(shù)，施工較繁瑣;若放寬限制容許塔底出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，則在風(fēng)荷載、溫度梯度、施工臨時荷載等不確定性荷載的作用下，可能危及橋塔的安全。從施工方便和安全性綜合考慮，混凝土橋塔塔底應(yīng)力按照不出現(xiàn)大于0.5MPa的拉應(yīng)力且壓應(yīng)力小于0.50倍的軸心抗壓強度來控制為宜。

(三)頂推過程的有限元模擬方法

加勁梁吊裝過程中，由于主索鞍與塔頂臨時固結(jié)，隨著加勁梁吊裝施工的進行及中跨荷載的增加，主索鞍跟著主塔移動，移動量與塔頂縱向位移量相同。在主索鞍頂推施工過程中，由于主纜的剛度遠遠大于主塔的抗推剛度，因此在頂推過程中主索鞍與主纜的相對坐標并沒有發(fā)生變化，而索塔中心的絕對坐標發(fā)生變化。從實際結(jié)果來說，主索鞍并非是被“頂推”向中跨，而是從中跨被“拉”回到原豎直位置。在不計索塔水平抗推剛度的情況下，塔頂?shù)钠坏扔诎白淖杂苫屏俊?/p>

本文為了在有限元軟件中模擬這一施工過程，在模型中加入了一個剛性桿，分別與主索鞍及主塔塔頂剛性連接，如圖1所示。剛性連桿的剛度比主纜系統(tǒng)水平剛度大3～4個數(shù)量級，并通過升溫作用產(chǎn)生的桿長變化約等于其自由伸縮量。這樣一來，頂推時可控制位移，非頂推時可實現(xiàn)鎖定，同時可查看連桿內(nèi)力。通過這種方法，實現(xiàn)主索鞍在施工階段頂推的全過程模擬。同時得到主塔塔偏變化、塔底應(yīng)力變化、索鞍偏心豎向荷載傳遞及索鞍頂推期間相對位移控制情況。

圖1 主索鞍頂推模擬

三、結(jié)論

本文以寸灘長江大橋為案例，通過索鞍頂推精細化分析得到一些有意義的結(jié)論，小結(jié)如下。

(1)本文使用的有限元軟件主索鞍頂推過程模擬方法，實現(xiàn)主索鞍在施工階段頂推的全過程模擬。同時得到主塔塔偏變化、塔底應(yīng)力變化、索鞍偏心豎向荷載傳遞及索鞍頂推期間相對位移控制情況。

(2)索鞍頂推的實質(zhì)其實就是控制塔頂位移，頂推時序的確定應(yīng)抓住橋塔的水平力變化規(guī)律來設(shè)置。

(3)在加勁梁吊裝初期,主索鞍的自由滑移較快,而索塔的容許水平偏位相對吊裝后期卻較小,因此相應(yīng)地頂推的間隔時間較短;在吊裝后期,自由滑移較慢,索塔的容許水平偏位也較大,相應(yīng)的頂推的間隔時間較長,每次的頂推量也較大。反映了后期梁段的吊裝對主纜剛度的影響越來越小。

[1]孫勝江，姜軍.懸索橋索塔容許偏位及主索鞍頂推分析[J].公路，2007，10:54-57

[2]何為,項貽強，徐興.懸索橋施工中索鞍頂推的小步快跑原則[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2007，41(1):134-138

[3]沈銳利.懸索橋主纜系統(tǒng)設(shè)計及架設(shè)計算方法研究[J].土木工程學(xué)報，1996，29(2):3-9

李國強(1990-)，男，重慶巴南區(qū)人，重慶市市政設(shè)計研究院，主要從事市政橋梁設(shè)計工作。