空間主纜懸索橋主纜線形控制方案研究

彭 鵬，厲勇輝，代百華

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430048；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430048；3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430048；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430048)

0 引言

空間主纜懸索橋在提高橋梁橫向剛度時，給人特有的索結(jié)構(gòu)空間美感。相比平行主纜懸索橋，空間主纜懸索橋是由主纜和吊索形成的三維索系，在對豎向承載力影響不大的情況下，提高纜索系統(tǒng)橫向剛度與整個橋梁的橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度[1]。目前，越來越多的跨峽谷和河流懸索橋，尤其是千米級跨徑懸索橋開始采用空間主纜形式。

主纜線形和吊索偏角差是空間主纜懸索橋施工過程控制的重難點，受主梁架設(shè)影響較大。主梁安裝過程中，主纜橫向線形和成橋線形相差較大，導(dǎo)致吊索安裝過程中偏角差過大，對吊耳處產(chǎn)生過大附加彎矩，引起主纜扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致索夾定位不準(zhǔn)。空間主纜懸索橋施工工藝可分為先梁后纜和先纜后梁，目前國內(nèi)外已建成和在建空間主纜懸索橋結(jié)構(gòu)形式和總體施工工藝情況如表1所示[2-5]。目前已提出很多空間主纜理論解析計算方法[6-8]，施工過程中吊索傾角和內(nèi)力不斷發(fā)生變化，采用理論公式計算較繁瑣，為此本文采用有限元數(shù)值分析法，分析千米級空間主纜主梁架設(shè)過程中主纜線形和吊索偏角情況。

表1 國內(nèi)外已建成和在建空間主纜懸索橋結(jié)構(gòu)形式及總體施工工藝

1 施工重難點及主纜線形控制方案

1.1 線形控制難點

橋梁成橋狀態(tài)與施工方案息息相關(guān)，結(jié)合橋位環(huán)境條件、空間主纜懸索受力特點，總結(jié)與常規(guī)平行主纜懸索橋的差異，如表2所示。

表2 空間主纜與平行主纜懸索橋上部結(jié)構(gòu)工藝對比

相比平行主纜懸索橋，空間主纜懸索橋的主纜線形控制和索夾安裝是施工過程控制重難點。空間主纜懸索橋結(jié)構(gòu)最大特點在于吊索施工過程中，主纜橫向距離不斷變化，主纜線形和成橋狀態(tài)線形差別較大，需對主纜線形進行控制分析，原因如下：①吊索安裝需要 為使吊索下錨固點插入錨杯，需控制上、下錨點間的橫向距離；②防止吊索拉力對插耳和索夾產(chǎn)生過大的附加彎矩；③避免引起主纜扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致索夾方向定位不準(zhǔn)確。

為描述主纜橫向線形對吊索施工的影響，引入吊索安裝偏角差θ(見圖1)。吊索安裝偏角差指吊索安裝時，吊索軸線與成橋狀態(tài)下吊索間的夾角。

圖1 吊索偏角差計算示意

(1)

式中：D1為吊桿安裝時，索夾到橋中心線距離；D2為成橋狀態(tài)時，索夾到橋中心線距離；D為吊桿吊點到橋中心線距離；L1為吊桿長度。

1.2 空間主纜線形控制方案研究

根據(jù)主纜錨固方式不同，空間主纜懸索橋可分為地錨式懸索橋和自錨式懸索橋。自錨式懸索橋一般采用先梁后纜施工工藝，施工過程中采用對拉、對撐、臨時拉索方式控制主纜線形，主梁受臨時支架支承，主梁自重對主纜線形影響較小。地錨式懸索橋一般采用先纜后梁施工工藝，主梁架設(shè)過程中，采用對拉或?qū)畏绞娇刂浦骼|線形，主梁架設(shè)過程中主梁自重對主纜線形影響較大。對拉裝置如圖2所示。

圖2 對拉裝置示意

空間主纜懸索橋主纜線形控制流程如圖3所示。對采用對拉/對撐方式控制主纜線形的施工方案，根據(jù)對拉/對撐裝置的套數(shù)和位置初步擬定對拉方案，通過有限元計算分析得到每種方案吊索安裝時偏角差θ和對拉裝置最大內(nèi)力，進行方案比選時綜合考慮以下因素：①吊索安裝偏角差θ一般小于吊索下錨點允許轉(zhuǎn)動角(一般設(shè)置為3°)；②對拉/對撐裝置套數(shù) 主要考慮施工過程中對拉/對撐裝置控制難易程度；③對拉/對撐裝置對纜索式起重機運行影響 對拉和對撐裝置靠近主塔時，對纜索式起重機影響較大；④對拉/對撐內(nèi)力 對拉/對撐裝置內(nèi)力是對拉/對撐裝置設(shè)計的重要參數(shù)，內(nèi)力越大存在的風(fēng)險越大；⑤主纜扭轉(zhuǎn)問題 吊索安裝偏角差θ越小，吊索對主纜產(chǎn)生扭矩越小，對索夾定位影響越小。

圖3 空間主纜懸索橋主纜線形控制流程

對采用臨時拉索方式控制主纜線形的施工方案，根據(jù)臨時拉索數(shù)量初步擬定方案，根據(jù)有限元計算結(jié)果，得到吊索安裝偏角差θ、臨時拉索內(nèi)力和臨時墩支反力，比選方案時除考慮吊索安裝偏角差和主纜扭轉(zhuǎn)問題，還要綜合考慮以下因素：①臨時拉索套數(shù) 主要考慮拉索張拉控制難易程度；②張拉千斤頂?shù)牧砍?取決于臨時拉索內(nèi)力；③臨時墩支反力 臨時墩支反力不能超過臨時支撐的承載力；④臨時拉索張拉次數(shù)。

2 工程概況

以新建川藏大渡河大橋為例，分析鋼桁梁架設(shè)過程中主纜線形、吊索偏角，確定最優(yōu)對拉方案。該橋散索鞍水平面內(nèi)距離主梁外側(cè)13m，塔頂索鞍處主纜相比主梁外偏5.5m，中跨跨中主纜相比主梁外偏0.5m，中跨鋼桁梁共劃分51個節(jié)段，鋼桁梁從中跨向兩主塔依次交替架設(shè)。算例基本參數(shù)如圖4所示。主纜成橋線形如圖5所示。

圖4 算例基本參數(shù)(單位：m)

圖5 有限元分析模型(單位：m)

3 主纜線形計算分析

采用Midas Civil有限元軟件建立三維有限元模型，如圖6所示。全橋共劃分9 346個單元，主纜和吊索采用索單元進行模擬，鋼桁梁采用桁架單元進行模擬，主塔采用梁單元進行模擬。

圖6 有限元模型

3.1 對拉方案

成橋主纜橫向間距由主塔向中跨跨中逐漸減小，空纜狀態(tài)下主纜間距相等，為使鋼桁梁吊裝過程中主纜線形接近成橋線形，解決吊索在吊耳插銷處的安裝問題，需在中跨主纜跨中處設(shè)置對拉裝置。為分析設(shè)置不同對拉套數(shù)對主纜線形和吊索偏角差的影響，確定最優(yōu)對拉方案，擬定4種方案：①方案1 不設(shè)置對拉裝置；②方案2 在中跨1/2處設(shè)置1道對拉裝置；③方案3 在中跨1/4，1/2，3/4設(shè)置3道對拉裝置；④方案4 在中跨1/6，1/3，1/2，2/3，5/6處設(shè)置5道對拉裝置。

3.2 對拉方案對比分析

采用式(1)計算得到鋼桁梁施工過程中，4種方案吊索安裝時的吊索偏角差，如圖7所示。

圖7 施工過程中主梁橫橋向線形

鋼桁梁架設(shè)過程中，主纜橫橋向位移對比分析如圖8所示。

圖8 鋼桁梁節(jié)段架設(shè)過程中對拉裝置內(nèi)力變化

鋼桁梁節(jié)段架設(shè)過程中，方案2～4對拉裝置內(nèi)力變化如圖9所示。

圖9 鋼桁梁節(jié)段架設(shè)過程中對拉裝置內(nèi)力變化

由上述計算結(jié)果進行分析如下。

1)中跨跨中吊桿安裝時，索夾偏角差相比靠近主塔吊索偏角差要大，設(shè)置對拉裝置套數(shù)越多，索夾偏角差越小。方案1未設(shè)置對拉裝置，吊索偏差角為65°，方案2～4分別設(shè)置1，3，5道對拉裝置，吊索安裝過程中其偏角差最大值分別為2.9°，1.04°，0.65°。

2)鋼桁梁施工過程中，主纜橫橋向變形逐漸接近成橋線形，同一個鋼桁梁架設(shè)工況下，對拉裝置設(shè)置套數(shù)越多，越接近成橋線形。

3)鋼桁梁架設(shè)過程中，方案2～4對拉裝置最大內(nèi)力分別為450，1 000，800kN，通過對拉裝置內(nèi)力變化規(guī)律可知，同一種方案，靠近橋墩對拉裝置最大內(nèi)力比靠近跨中對拉裝置要大，受鋼桁梁重力影響，鋼桁梁架設(shè)對靠近中跨對拉裝置內(nèi)力影響較大。

3.3 對拉方案比選

通過比較不同主纜對拉方案施工過程中索夾偏角差、主纜線形、施工工藝，比選中跨主纜對拉總體方案，4種方案綜合對比分析如表3所示。

表3 對拉方案比選

方案1索夾偏角差太大，吊索無法進行安裝；方案2索夾偏角差雖小于下錨杯允許轉(zhuǎn)動角3°，但考慮鋼桁梁吊裝節(jié)段自重較大、吊索安裝較多，為減少對主纜扭轉(zhuǎn)的影響，減少索夾定位誤差，擬在方案3,4中作比選，方案3,4均能將索夾偏角差控制在1°左右，且施工過程中主纜線形和張拉設(shè)備內(nèi)力相差不大，方案3采用3套張拉設(shè)備，相對于方案4施工過程中對拉裝置操作更簡便，且方案4中張拉裝置更靠近主塔位置，主塔上纜索式起重機需架設(shè)更高，增加施工成本和風(fēng)險，因此在保證索夾偏角差不大的情況下，方案3為優(yōu)選方案。

4 結(jié)語

1)相對于平行主纜懸索橋，空間主纜懸索橋施工過程中，主纜線形控制和索夾安裝是重難點，通過吊索安裝偏角差反映吊索對主纜線形和索夾安裝的影響。

2)給出空間主纜懸索橋線形控制方法和控制方案確定研究思路。

3)主梁吊裝過程中，主纜橫橋向變形逐漸接近成橋線形，對拉裝置設(shè)置越多，吊索安裝偏差角越小。對拉裝置內(nèi)力受鋼桁梁架設(shè)過程影響較大，尤其是中跨跨中對拉裝置內(nèi)力，主纜線形控制方案確定應(yīng)從經(jīng)濟性、施工效率和施工安全性綜合考慮。