鋼桁梁鐵路懸索橋臨時吊索施工工序研究

邵夢龍 郭日強 唐 緒

(西南交通大學土木工程學院 四川成都 610031)

1 引言

鐵路建設不可避免地要跨越一系列大水系，有時必須釆用大跨度鐵路橋梁。在大跨度橋梁建設中，作為目前橋梁跨越能力最強的結構型式，懸索橋與其它的橋式相比優勢更加明顯[1-2]，可以充分利用材料的強度，并具有用料省、自重輕的特點。與公路橋相比，鐵路橋橋面窄、活載及二期恒載大、動力響應相對較大[3-4]。由于鐵路橋梁的活載及二期恒載較大，鐵路懸索橋的主梁一般選擇鋼桁梁，鋼桁梁有較大的豎向剛度，并且能節省鋼材，減輕自重；而相對應地，鋼桁梁的桿件與節點都較多，使得鋼桁梁的施工工序較為復雜。鋼桁梁懸索橋與扁平鋼箱梁懸索橋在構造和施工方法方面存在著較大的差異[5]。

懸索橋加勁梁的架設順序按推進方式可分為兩種:(1)從中跨跨中和梁端開始向橋塔方向架梁，最終在橋塔處合龍，國內外大多數懸索橋釆用此種方式進行架設；(2)從橋塔開始向跨中及橋臺方向架梁，最終在中跨跨中合龍，日本本四連絡線上的懸索橋多采用這種方式[6-7]。加勁梁從跨中向兩側橋塔架設的優點是主纜變形較小，較易于進行施工控制，且由于在橋塔處進行合龍，主纜已接近最終線形，從而有效地減小了主纜內的次應力；其缺點則是施工場地的配置、施工人員和器具的運輸都比較困難。加勁梁從橋塔向跨中架設的優點是有利于施工操作和施工人員及器具的運輸，施工設備和人員都能方便地從塔墩到達橋面；其缺點是施工過程中主纜和加勁梁的變形比較大，施工控制比較復雜。

本文以某座單跨桁架梁鐵路懸索橋為背景，提出在邊跨無索區設置臨時吊索的施工方案，研究從梁端往中跨跨中和從中跨跨中往梁端吊裝梁段兩種施工順序的合理性，即通過對比兩種施工工序過程中橋梁結構的內力、位移等的變化情況。研究內容主要集中在該懸索橋的主桁桿件、吊索(包括臨時吊索)、支座、主索鞍等構件。

2 結構概述

某單跨鐵路懸索橋主纜跨度為(132+660+132)m，三跨連續梁跨徑組成為(110+660+98)m。主梁在梁端、主塔處設置有豎向支座和橫向支座。鋼梁采用帶豎桿的平行華倫式桁架，共有71個節間，左邊跨9個，右邊跨8個。桁高12 m，桁寬22 m，標準節間長度12.2 m，左岸端部2個節間及右岸1個節間長度12 m，主塔附近2個節間長度12.8 m。從左至右節點編號依次為 E36、E35、E34…E2、E1、E0、E1′、E2′…E33′、E34′、E35′，共 72 個節點，0 號節點為主跨跨中。其總體布置和節點編號如圖1所示。全橋一共 36個梁段，分別為 E36E35、E35E34…E33′E34′、E34′E35′。 標準梁段見圖 2。

圖1 總體布置和節點編號(單位：m)

混凝土橋塔采用常見的門式框架結構，由塔柱、橫梁組成，包括上塔柱、下塔柱和上橫梁、下橫梁。

圖2 標準鋼桁梁(單位：mm)

全橋兩根主纜，矢跨比為1/10，主跨660 m。主纜由抗拉強度為1 770 MPa的平行鍍鋅高強鋼絲索股組成，每根主纜由127束127絲φ5.4的鋼絲束股構成，空隙率為17%。中跨采用平行主纜，橫向中心距22 m，且中跨設有53對吊索；邊跨另設4對索股在主索鞍上錨固(背索)，不設吊索，采用空間纜，塔頂主纜橫向中心距22 m，散索鞍處主纜中心距29 m。

橋面系、鋼桁梁、橋面鋪裝和附屬設施等一期恒載、二期恒載重量為424.381 1 kN/m，其中一期加勁梁重量為224.381 1 kN/m，二期恒載為200 kN/m。

計算模型中主纜采用空間懸鏈線索單元，吊索采用桿單元，橋塔和加勁梁均采用空間梁單元。計算方法為空間幾何非線性有限元法，計算分析中考慮結構大位移、P-Δ效應、索的垂度效應等結構幾何非線性的影響。邊界條件為:塔底固結；左塔處加勁梁和右塔處加勁梁約束豎向、橫向自由度，其他自由度放松；錨碇處固結；散索鞍為轉軸式，在轉軸處豎向轉動自由，其它方向被約束。

3 施工方案說明

(1)方案1

先由梁端向塔側逐段剛結邊跨加勁梁梁段，再由塔側向跨中吊裝施工中跨加勁梁梁段，并在跨中合龍。吊裝邊跨梁段時采用臨時吊索，在邊跨約為1/3處和2/3處設置臨時吊索，編號見圖3。①～④號臨時吊索設計索力依次為4 767 kN、4 138 kN、4 289 kN、3 940 kN。

(2)方案2

逐段剛結法先吊裝施工中跨跨中加勁梁梁段，待中跨合龍后，再從橋塔處開始，逐段懸臂拼裝邊跨加勁梁梁段，同時在吊裝邊跨加勁梁梁段時，在兩邊分別設置兩對臨時吊索。①～④號臨時吊索索力依次為4 000 kN、2 500 kN、2 000 kN、4 000 kN。

圖3 方案1臨時吊索示意

4 各施工方案結果對比分析

(1)主桁桿件

兩種主梁吊裝方案過程中各主桁桿件應力最值如表1所示，各桿件的應力包絡圖見圖4～圖7。

表1 施工過程中主桁桿件應力最值 MPa

圖4 施工過程中上弦桿應力包絡圖

圖5 施工過程中下弦桿應力包絡圖

圖6 施工過程中豎腹桿應力包絡圖

圖7 施工過程中斜腹桿應力包絡圖

由圖4可知，施工過程中上弦桿在橋塔位置處出現最大拉、壓應力，且方案1分別為113.76 MPa、-144.90 MPa(拉應力為正)，方案2分別為75.28 MPa、-108.01 MPa。方案1的最大拉、壓應力在橋塔附近變化較為劇烈。方案1中橋塔處至跨中處的上弦桿最大拉應力變化較為劇烈，并在跨中位置方案1與方案2上弦桿最大拉應力相近。而兩種方案各位置處上弦桿施工過程的最大壓應力沿橋軸線變化均較為劇烈。

由圖5可知，方案1中的下弦桿最大拉應力出現在中跨1/8位置處(246.99 MPa)，而最大壓應力出現在跨中(-148.22 MPa)。方案2中拉、壓應力變化最劇烈的位置在中跨跨中，但值均較小，分別在150 MPa、-120 MPa左右。兩種施工方案各位置下弦桿應力沿橋軸線變化整體規律與上弦桿相反。

由圖6可知，方案1與方案2中豎腹桿最大拉應力均在中跨3/8附近處較突出，但值非常不均勻，而最大壓應力全橋都比較均勻。方案1、方案2在梁左端位置處的豎腹桿最大壓應力分別為-95.44 MPa、-132.34 MPa。兩種方案各位置豎腹桿最大壓應力沿橋軸線都比較均勻(梁端位置處除外)。

由圖7可知，整個施工過程方案1與方案2斜腹桿最大拉、壓應力在全橋范圍內都比較均勻。方案1的最大拉壓應力分別為100.69 MPa、-86.21 MPa，方案2的最大拉壓應力分別為109.66 MPa、-94.31 MPa。可見，斜腹桿的最大拉、壓應力相比于其它桿件均較小。

可見，整個施工過程方案1與方案2各位置處的桿件中，上、下弦桿的最大拉、壓應力沿橋軸線變化較為劇烈，而腹桿就較為均勻。

(2)吊索

由圖8可知，兩種方案中，中跨1/4位置附近的吊索拉應力變化幅度最明顯，方案1的最大拉應力為658.30 MPa，方案2為614.86 MPa，且兩種施工方案吊索內力相差較小。

圖8 施工過程中吊索應力包絡圖

(3)橋塔支座

在方案1中，左、右塔支座反力均先增大后減小，左塔支座在吊裝梁段E19E18(中跨1/6跨位置處)時出現最大值，為17 378 kN；右塔支座在吊裝梁段E17′E18′(中跨5/6跨位置處)時出現最大值，為18 280 kN。

方案2中橋塔支座最大反力出現在施工最后階段，左右塔支座分別為15 759 kN、14 225 kN。

可見，施工過程方案1中的左、右橋塔支座反力均大于方案2。

(4)臨時吊索

方案1中臨時吊索①～④最大應力均發生在全橋合龍階段，分別為457.30 MPa、396.10 MPa、410.50 MPa、377.80 MPa。

方案2中臨時吊索①～④最大應力分別為385.72 MPa、388.71 MPa、389.49 MPa、397.21 MPa，各臨時吊索的應力較均勻。

可見，兩種方案各臨時吊索最不利應力相差不大，且兩方案之間相差也不大。

(5)主索鞍位移

方案1與方案2在空纜狀態下左、右塔頂主索鞍縱向位移分別為0.608 m、0.606 m(均朝向邊跨方向)。施工過程中方案2的主索鞍位移逐漸減小至成橋階段；而方案1中的主索鞍位移先增大后減小，這是由于方案1先吊裝邊跨主梁，使得邊跨主纜受較大的豎向力，即主索鞍被拉向邊跨方向。左右兩側主索鞍位移均在吊裝完成所有邊跨梁段前達到最大值，且左右兩側主索鞍最大偏移分別為0.953 m、0.863 m(均朝向邊跨方向)。可見，方案1中主索鞍最大偏移量明顯大于方案2的偏移量。

5 結論

(1)對于單跨桁架鐵路懸索橋，在邊跨無索區添加臨時吊索的施工方案切實可行，且滿足結構的受力安全。

(2)在兩種方案施工過程中，上弦桿和下弦桿的最大拉、壓應力值在全橋各位置有較大的差異，腹桿的最大拉、壓應力則較為均勻。

(3)雖然兩種方案都滿足結構受力安全要求，但總體上方案2(即從中跨跨中開始吊裝梁段)中各桿件的應力在全橋范圍內比方案1(從梁端開始吊裝梁段)更均勻，且各桿件的最大拉、壓應力普遍比方案1的更低。

(4)在兩種方案施工過程中，方案2的主索鞍縱向最大位移較小，且與方案1相比，方案2的主纜變形更小，易于進行施工控制。