超大跨度懸索橋主梁架設(shè)順序研究

張海順

(1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300；2.天津大學(xué) 天津 300072)

1 引言

在各種橋梁體系中，懸索橋以其征服大跨徑的能力和優(yōu)美的外形而著稱[1-2]。目前世界上已建成的最大跨度懸索橋是日本明石海峽大橋(1 991 m)，超1 500 m級的懸索橋還包括武漢楊泗港長江公路大橋(1 700 m)、浙江舟山西堠門大橋(1 650 m)、丹麥大巴爾特大橋(1 624 m)、土耳其奧斯曼一世大橋(1 550 m)、韓國李舜臣大橋(1 545 m)[3-6]等，國內(nèi)在建的有虎門坭州水道橋(1 688 m)、深中通道伶仃洋大橋(1 666 m)、南京仙新路過江通道(1 760 m)等。

超大跨度懸索橋加勁梁的傳統(tǒng)架設(shè)方法按其推進方式主要有兩種:一是從跨中節(jié)段開始向兩側(cè)橋塔推進，加勁梁在橋塔附近合龍；二是從橋塔節(jié)段開始向跨中方向推進，加勁梁在跨中合龍[7-10]。加勁梁的吊裝順序，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性、施工安全性、施工單位技術(shù)實力、人員及設(shè)備的配置、現(xiàn)場劃分、構(gòu)件的運輸和氣象等各方面綜合判斷后來決定[11-12]。本文以某1 700 m跨度的懸索橋為例，進行不同架設(shè)順序的分析。

2 工程概況

該主跨1 700 m懸索橋，主跨矢跨比為1/9。主橋總體布置如圖1所示(主纜節(jié)點編號在上，加勁梁梁段編號在下)。主纜采用PPWS法架設(shè)，主纜橫向布置兩根，間距為28.0 m，吊索縱向標(biāo)準(zhǔn)間距為18 m，每個吊點均設(shè)置2根吊索。吊索與索夾為騎跨式連接，與加勁鋼桁梁為銷接式連接。全橋加勁鋼桁梁采用板桁組合結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)加勁梁，加勁梁截面見圖2。共分為JJL1～JJL4四種類型，共49個梁段。主桁架為華倫式桁架結(jié)構(gòu)，主桁架的桁高為10 m，兩片主桁中心間距為28 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長為9 m。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

圖2 板桁組合結(jié)構(gòu)鋼桁梁斷面(單位:cm)

3 鋼桁梁架設(shè)方案及模型構(gòu)建

(1)兩種不同架設(shè)方案

方案一由跨中向橋塔架設(shè)，方案二由橋塔向跨中架設(shè)。每一個架梁步驟包括纜載吊機利用提升鋼絞線提梁起吊、吊索安裝就位受力、鋼桁梁上弦桿進行鉸接三個子步驟。頂推次數(shù)為三次，頂推量分別為0.6 m、0.8 m、1.125 m。拋開安裝設(shè)備和工期等因素，以懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的反應(yīng)為對比參數(shù)進行方案比選。為方便比選，兩方案中兩鋼桁加勁梁梁段間的連接均為上弦桿鉸接、下弦桿和斜腹桿自由，待全部鋼桁梁架設(shè)完成后進行順次剛接。表1為方案一的具體實施步驟，方案二架梁除首末過程相同，其余與之相反。梁段編號如圖1所示。

表1 方案一由跨中_至橋塔架設(shè)加勁梁步驟

(2)有限元模型的建立

采用簡化平面結(jié)構(gòu)圖式進行靜力分析，各構(gòu)件恒載包括加勁梁按28.5 t/m、主纜按11.3 t/m、吊索及索夾按0.8 t/m，二期恒載按10.5 t/m進行計算，纜載吊機自重按464 t進行計算。結(jié)構(gòu)錨碇處和橋塔塔底均設(shè)固定約束，塔梁交界處設(shè)豎向支撐、橫向限位約束，縱向設(shè)阻尼器。分析模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

4 架設(shè)順序方案比選

4.1 主纜標(biāo)高變化大小

不同加勁梁吊裝順序會引起不同的主纜線形標(biāo)高變化。在懸索橋加勁梁吊裝過程中，兩方案主跨節(jié)點的位移變化最值包絡(luò)圖如圖4所示(主纜豎向位移為相對于成橋狀態(tài)的位移)。對主纜選取了最為敏感的跨中節(jié)點49作為施工過程中的控制點。從圖4可以分析得出，方案一由跨中向橋塔架設(shè)的跨中節(jié)點豎向位移最值范圍為-2.033 m～＋17.008 m，方案二由橋塔向跨中架設(shè)的跨中節(jié)點豎向位移最值范圍為-5.641 m～＋29.945 m。

圖4 主跨跨中節(jié)點豎向位移最值曲線

4.2 橋塔側(cè)主纜平切角大小

若架梁順序不合理，主纜在主索鞍處產(chǎn)生較大平切角，與主塔外緣發(fā)生接觸，會影響到主塔安全性和架梁施工過程。為避免出現(xiàn)此類現(xiàn)象，需要保證主纜與塔頂?shù)钠角薪遣荒艹^限值(見圖5)。

圖5 主纜平切角示意

圖6為兩種方案下橋塔跨中側(cè)主纜平切角變化情況。方案一呈先減小后增大趨勢，平切角小于成橋狀態(tài)，最大平切角為 24.05°，最小平切角為19.50°；方案二呈先增大后減小趨勢，平切角大于成橋狀態(tài)，最大平切角達28.28°，最小平切角為22.08°。兩方案的最大平切角均在纜載吊機的允許作業(yè)角度30°范圍內(nèi)，但為安全考慮，應(yīng)盡可能減小主纜平切角的大小。因此，方案一由跨中至橋塔架梁方案更優(yōu)。

圖6 主纜平切角變化曲線

4.3 主纜與橋塔邊凈距

加勁梁在吊裝過程中，主纜縱向、豎向位置都在變化，另外主索鞍與橋塔頂?shù)乃较鄬ξ恢庙斖茣r也在變化，這樣塔頂邊緣與主纜可能會有接觸的情況。圖7為兩種方案下橋塔跨中側(cè)主纜與橋塔塔頂外緣凈距變化情況，方案一距離變化范圍為0.549 m～1.530 m，方案二為-0.044 m～1.530 m。可見方案一較優(yōu)，方案二在架設(shè)過程中主纜與橋塔有接觸，需要在橋塔頂部切除一小部分才可保證主纜不受橋塔影響。

圖7 主纜與橋塔邊凈距變化曲線

4.4 索夾處主纜折角大小

加勁梁在吊裝過程中，主纜在索夾處會出現(xiàn)折角，折角過大則會影響主纜線形和結(jié)構(gòu)安全。索夾處主纜折角見圖8。兩方案的全部索夾在施工過程中的最大折角見圖 9。主跨在跨中節(jié)點對稱，故僅顯示半幅索夾處主纜折角變化。

圖8 索夾處主纜折角示意

圖9 索夾處主纜折角施工全過程峰值匯總

從圖9中可以看出:

(1)方案一由跨中至橋塔架設(shè)加勁梁過程中，主纜折角最大處發(fā)生在架設(shè)跨中梁段時，峰值為2.3°；方案二由橋塔至跨中架設(shè)加勁梁過程中，主纜折角最大處發(fā)生在離橋塔最近的吊索上索夾處，峰值為2.0°?？梢姺桨敢坏乃鲓A處主纜折角大于方案二。

(2)隨著主梁架設(shè)的過程，兩方案中索夾處主纜折角均逐漸減少。

(3)除架設(shè)跨中梁段外，其余每次吊裝一個梁段均為兩個吊索共同受力。方案一中，在兩個吊索上的索夾處，離跨中較遠的索夾處主纜折角要大于離跨中較近的索夾處主纜折角；而方案二中剛好相反，離跨中較近的索夾處主纜折角要大于離跨中較遠的索夾處主纜折角。

4.5 索夾的抗滑移安全系數(shù)

根據(jù)設(shè)計文件，索夾共計9種，在跨中分布的為SJ1～SJ5五類。索夾采用M52螺桿進行張拉夾緊，螺桿安裝張拉力為1 070 kN，設(shè)計張拉力為750 kN。規(guī)范規(guī)定吊索索夾的抗滑系數(shù)≥3。將兩方案主跨中同類索夾在架梁過程中最大吊索索力和索夾處抗滑系數(shù)匯總，見表2。

表2 兩方案索夾抗滑系數(shù)比較

從表2中可以看出，兩個方案索夾抗滑移安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；方案一比方案二在橋塔處的索夾抗滑安全系數(shù)略高。

4.6 下弦桿間開口間距大小

在架梁過程中，已安裝到位的加勁梁之間一般采用上弦鉸接、下弦自由的臨時鉸接法連接。由于自重的影響，加勁梁會產(chǎn)生不同的水平和豎向位移，導(dǎo)致相鄰加勁梁段間下弦桿有著不同的開口間距。隨著架梁過程的進行，下弦桿的開口間距由大變小，最終閉合。將兩方案下弦桿開口間距在架梁過程中的變形情況進行對比分析，由于主跨以跨中節(jié)點對稱，分析僅顯示半幅橋梁結(jié)構(gòu)。

圖10為兩個方案加勁梁各個下緣開口間距大小在整個梁段吊裝過程中的包絡(luò)圖。梁段間開口編號從橋塔處向跨中處依次為1～24號。

圖10 兩方案各下弦開口間距包絡(luò)圖

由圖10可以看出(忽略橋塔附近墩頂托架上加勁梁下弦1號、2號兩個開口間距):

(1)兩方案中，方案二的下弦開口間距最大值為397 mm，比方案一的開口間距最大值231 mm要大。

(2)在方案一中，由跨中向橋塔架設(shè)加勁梁，跨中處編號24號開口間距峰值最大(231 mm)，從跨中往兩側(cè)開口間距峰值逐漸降低，直至接近跨中1/4點的編號11號開口間距峰值最小(5 mm)，隨后再往橋塔方向開口間距逐漸增大至3號開口間距峰值65 mm。

(3)在方案二中，由橋塔向跨中架設(shè)加勁梁，橋塔附近編號3號開口間距峰值最大(397 mm)，從橋塔往跨中開口間距逐漸降低至跨中24號開口間距峰值16 mm。

4.7 加勁梁線形分析

加勁梁的線形與架設(shè)方案有關(guān)，為分析加勁梁在整個架梁過程中線形變化情況，將兩種架梁順序中幾個典型工況下加勁梁線形繪出，見圖11。從圖11可以看出方案一中加勁梁線形變化較為平順。

從圖11a可以看出，加勁梁跨中節(jié)點豎向高程變化幅度為-2.02 m～12.14 m(與成橋坐標(biāo)相比)；從圖11b可以看出，加勁梁豎向高程變化幅度為-5.57 m～12.14 m(與成橋坐標(biāo)相比)。

圖11 加勁梁架設(shè)線形變化曲線

5 結(jié)束語

超大跨度懸索橋在架設(shè)主梁方案上選擇至關(guān)重要，影響整個架梁過程的施工方案實施情況。加勁梁節(jié)段吊裝順序主要分為由跨中至橋塔和由橋塔至跨中兩個方向?？紤]結(jié)構(gòu)的受力平衡，大部分懸索橋加勁梁吊裝均采用平衡對稱吊裝。

通過對比某超大跨度懸索橋鋼桁梁架設(shè)方案，即方案一由跨中至橋塔架設(shè)和方案二由橋塔至跨中架設(shè)不同參數(shù)的對比分析，拋開安裝設(shè)備和工期等因素，就懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的反應(yīng)而言，推薦由跨中至橋塔架設(shè)加勁梁。