某兩跨非對稱懸索橋的吊梁順序優化

盛琦根

(重慶交通大學土木工程學院,重慶400074)

對于非對稱懸索橋，結構受力時反應不對稱，這在加勁梁吊裝過程中，體現出的最主要特點就是兩個主索鞍的預偏量不一致，滑移規律差別較大[1]，采用不同主梁吊裝順序時，不同方案之間的主纜線形差距、各個方案與成橋主纜線形差距都較大，為保證架梁過程中的臨時連接的受力安全，主塔塔頂偏移量合理、塔底不出現拉應力，有必要對非對稱懸索橋的主梁吊裝順序進行優化研究。

1 工程概況

1.1 整體布置。重慶市江津區某在建長江大橋主橋為主跨590m，邊跨180m的兩跨鋼箱梁懸索橋，主纜跨徑為全橋梁段劃分見圖1，懸索橋在加勁梁架設的過程中，會產生強烈的幾何非線性，主要體現在主塔塔頂位移、主纜變形上的突增，如果不加以控制，將會給上部結構的施工帶來安全隱患，由于前期吊裝方案存在不足，因此需要修改吊梁方案。

圖1 全橋梁段示意圖

1.2 懸索橋鋼箱梁的吊裝。結構線形主要是指主纜及鋼箱梁的線形。鋼箱梁線形主要取決于主纜線形，而主纜線形在這個階段的線形變化是與主梁吊裝架設順序緊密相關的[2]。

本文所述橋梁為兩跨非對稱結構，前期所擬主梁吊裝方案在右邊跨合龍時存在岸處卷揚機功率不足以拖動非合龍節段主梁蕩移的問題，故需要在滿足主塔線形、應力安全的情況下對架梁方案進行修改優化。

2 有限元模型分析

2.1 有限元模型建立。采用Midas Civil進行有限元模型建立，根據該橋的結構布置以及構件尺寸，將其離散為495個節點、486個單元。（圖2）

2.2 模型驗證

2.2.1 主纜線形的驗證。懸索橋與其他橋型相比最大的特點就是主要的承重結構是主纜，包括恒載、活載作用都是由主纜來承受，所以成橋狀態的主纜線形非常重要，必須要與設計線形保持一致[3]，通過非線性迭代，得到初始平衡狀態，恒載作用下主纜的最大位移為-7.186 mm，發生在中跨1/4附近，中跨跨中的位移為1.886 mm，計算模型初始平衡狀態的精度滿足工程要求，迭代后得出的線形接近理想線形。

2.2.2 主纜無應力長度驗證。索鞍處的無應力長度修正：在初始平衡狀態模型里面可以得到主纜的無應力長度，但計算模型中得到的只是主纜理論交點之間的無應力長度，在實際工程中主索鞍和散索鞍處的主纜是曲線，因此需要對這些位置的無應力長度進行修正[4]，單根主纜有61根索股，取位于主纜中心處的31號索股為例，對其進行修正。

計算模型里面所提出的31號索股無應力長度為1040.369 m，修正后的31號索股無應力長度為1039.416 m，與設計文件相差0.182 m，誤差在可接受范圍內。

綜上，通過成橋狀態下的主纜線形變化量以及主纜的無應力長度，驗證了所建立模型的正確性，從而可以將所建立模型作為施工階段分析的初始狀態，對加勁梁的吊裝順序展開研究。

3 鋼箱梁的吊裝順序優化

大跨度懸索橋在主梁吊裝的過程中非線性特征明顯，主纜線形會產生較大變化，另外最顯著的特點便是主塔在兩側大荷載產生不平衡水平力作用下出現的偏位，隨之產生的也會是主塔根部的應力，因此要制定合適的吊梁順序，以保證主塔頂部位移、根部應力處于一個安全范圍。

3.1 鋼箱梁的優化方案擬定思路。本文依托項目主跨右側多出一個邊跨，主跨合龍段設置在靠近主塔塔側的X20、D20；為保證有足夠的合龍空間，在進行主跨合龍段吊裝前先將X21、D21向兩岸側蕩移以留出適當空隙，再行合龍段，考慮到邊跨蕩移所需要的卷揚機功率上限，將邊跨梁段整體以三個合龍段D22、D27、D32分割成三部分，先吊裝D22號梁段，吊裝D22前將右邊梁段通過岸側卷揚機向岸蕩移，留出空間，再進行D22吊裝，D27、D32按此方法依次進行合龍；另外，邊跨段只能行走一臺纜載吊機，纜載吊機的來回行走必然磨損主纜鋼絲繩，所以還得考慮最大程度減少纜載吊機的重復行走里程。

具體吊梁方案如圖3：

圖3 吊梁順序步驟

3.2 主索鞍頂推方案。本文依托項目的頂推方案采用“小步快跑”的方式，前期左塔主索鞍預偏量為-88.7 cm，右塔主索鞍預偏量為82.4 cm，頂推時機以及頂推量如表1：

表1

通過擬定頂推方案，最終成橋（理論模型）狀態下，左塔位移為1.6 mm(向江側),右塔偏移量為-0.5 mm（向江側）。

3.3 吊梁過程中的主塔受力、位移情況

3.3.1 主塔應力結果。由于主塔根部為受力最不利截面，因此選取主塔根部作為控制截面，吊梁的過程中，左塔如果不進行頂推，最大拉應力出現在岸側，最大拉應力為0.4 Mpa，若采用上述頂推方案，則控制截面一直處于受壓狀態，受力情況較好，右塔在不頂推的情況下，最大拉應力為0.4 Mpa，出現在靠岸側，采用頂推則可使根部截面一直受壓。

3.3.2 主塔位移結果，見圖4-5。

圖4 左塔塔頂位移

圖5 右塔塔頂位移

由上圖可知，在吊梁的過程中如不進行頂推，左塔塔頂最大位移可達到86cm左右，右塔塔頂位移最大可達-80cm左右，顯然位移較大，不利于施工控制，而通過頂推可以將主塔塔頂偏移控制在20cm以內。

4 結論

4.1 本文利用有限元軟件Midas Civil對依托工程進行建模分析，通過主纜初始平衡狀態驗證、主纜中心處的31號索股的無應力長度與設計文件進行對比，證明了所建模型的正確性。

4.2 在考慮現場實際施工情況下對原主梁吊裝方案進行修改，將右邊跨劃分為三段，設置三個合龍段依次進行合龍，并利用Midas Civil進行吊梁過程中的主塔受力理論分析。

4.3 為保證主塔受力情況良好，本文針對吊梁順序設計出合理的頂推方案，通過理論模型分析了解到在該頂推方案下主塔根部控制截面施工過程中一直處于受壓狀態，且將主塔塔頂位移控制在20cm以內，保證主梁吊裝過程中主塔處于可控狀態。

4.4 考慮到依托工程現場實際施工進度，暫時無法得出主梁吊裝過程中的主塔應力、位移實際情況，因此也暫時無法與由理論模型提取的數據進行對比。