新型雙索萬向連接裝置研究

李拔周，郗永磊

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.中交二航局第二工程有限公司，重慶 404100)

目前，大多數斜拉橋斜拉索在主梁縱向上的分布如圖1所示，斜拉索在主梁節段上有一個相對固定的交點，斜拉索除在縱橋向外，在主梁橫橋向可能有角度的變化，但錨固點相對于節段分段縫距離相對固定。

圖1 斜拉索在主梁縱向的分布示意

因斜拉索在主梁上有固定交點，不同節段的斜拉索可看作某根斜拉索繞該固定交點旋轉一定角度而成，因此，一般將施工掛籃主縱梁頭部牽索位置設計為一個以該固定交點為圓心且帶槽的弧形結構。通過張拉墊塊在滑槽內的滑動調整斜拉索縱橋向的位置和角度，斜拉索張拉時不會產生附件彎矩，橫橋向無角度變化的牽索裝置如圖2所示。

圖2 橫橋向無角度變化的牽索裝置

當斜拉索在橫橋向有角度變化時，多通過在張拉墊塊上設置球形墊塊來調整橫橋向的角度，如圖3所示。

圖3 橫橋向有角度變化的牽索裝置

對于有固定交點的單索面主梁施工，當兩索間距較小時，一般采用在1根主縱梁的弧形頭部設置2個張拉槽口，在槽口內設置張拉裝置(見圖4)。

圖4 有固定交點的單索面牽索裝置

綜上所述，對于斜拉索在主梁縱向有固定交點的施工掛籃牽索裝置目前已有較多的成功案例，技術較成熟。但對于斜拉索在主梁縱向無固定交點的牽索裝置，若掛籃主縱梁頭部仍設計成帶槽的弧形結構，斜拉索張拉時會產生較大附加彎矩，且易使張拉墊塊產生沿弧面切線的分力，不利于結構受力安全。尤其是對于單索面且斜拉索橫橋向有角度變化的斜拉橋，因雙索間距相對較大，無法在1根主縱梁上設置牽索裝置。因此，本文主要研究能滿足單索面在主梁縱向無固定交點的斜拉橋施工的牽索裝置。

1 工程概況

梅州廣州大橋上部結構采用預應力混凝土箱形主梁，主橋標準橫斷面近似三角形，主梁頂板全寬33.5m，底寬4.5m，懸臂長4.75m，梁高3.6m，斜拉索間距2.3m，箱梁縱向分段長度為6m。主跨主橋采用掛籃懸臂澆筑法施工，掛籃懸澆梁段混凝土重400t，掛籃施工期間最大索力值2 750kN，主梁分段與橫斷面如圖5所示。由圖5可看出，該橋主梁屬于典型的單索面大挑臂結構，具有以下特點：①斜拉索在主梁縱向無固定交點；②兩索橫橋向間距相對較大，且有橫橋向角度的變化。

圖5 梅州廣州大橋主梁分段與橫斷面

本文依托該工程進行滿足以上特點主梁施工的新型牽索裝置研究。

2 掛籃總體構造

牽索裝置的構造與掛籃總體結構尤其承載平臺結構有密切關系，掛籃總體結構如圖6所示。掛籃總體自主梁分為上、下兩部分，上部主桁結構由4組三角架組成，下部承載平臺由箱梁和桁架組成。

圖6 掛籃總體結構

為了完成空籃行走任務，掛籃自重必須由主梁相對較強的部位承受，內側主桁為掛籃前移提供前吊點，其前支點作用在主梁縱向的腹板處，后錨點錨固于主梁的橫隔板處，保證前吊點的受力安全。

承載平臺采用箱梁和桁架組合結構，結構形式新穎，簡潔合理，既滿足了掛籃整體剛度的要求，又有效減小了自重，節約了成本，方便了施工控制。

主縱梁兩側布置了2根次縱梁，一方面作為掛籃行走的滑梁，另一方面在次縱梁前端設置了吊點，保證了承載平臺澆筑混凝土時橫橋向的穩定性。

掛籃總體設計為下部承載平臺和上部行走主桁結構，共同組成掛籃澆筑混凝土和行走兩大受力系統，分工清楚，受力明確，結構簡單，很好地實現了橋梁設計要求前支點施工的理念。

3 牽索裝置構造

牽索裝置連接承載平臺主縱梁與塔端錨固點。承載平臺是掛籃支承懸澆荷載及模板體系的主體結構，為加強結構剛度并減小自重，結構主體采用2根主縱梁(箱梁)和桁架的組合結構。斜拉索在主梁上錨固點間距較大，因此利用2根主縱梁頭部之間的空間設置牽索裝置，如圖7所示。

圖7 承載平臺結構

承載平臺兩主縱梁之間的距離為4.6m，因斜拉索在主梁縱向無固定交點，為了防止斜拉索張拉時產生附加彎矩和張拉墊塊產生沿弧面切線的分力，將主縱梁頭部由通常的弧面改為斜面，使斜拉索張拉時沿斜面和垂直斜面的受力明確。

牽索裝置主要由前支點調整裝置、張拉分配梁、張拉桿及斜拉索錨具組成，如圖8所示。

圖8 牽索裝置總體結構

前支點調節支座可沿主縱梁頭部設定的滑槽滑動，從而調整斜拉索縱向位置，調整到位后通過精軋螺紋鋼筋鎖定，斜拉索張拉時產生的沿斜面的分力也由精軋螺紋鋼筋克服。前支點調節支座與張拉分配梁之間用銷軸連接，張拉分配梁繞前支點調節支座的轉動可調整斜拉索縱橋向的角度。張拉分配梁上設有2個柱面滑槽，滑塊與張拉分配梁為柱面接觸，滑塊通過在分配梁上的柱面滑槽內滑動，調整斜拉索在橫橋向的位置和角度。張拉千斤頂通過撐腳固定在滑塊上，通過張拉張拉桿實現與承載平臺頭部連接形成掛籃前支點，施工完成后通過張拉千斤頂張拉卸載，實現體系轉換。該牽索裝置以主縱梁頭部斜面為受力支點，并將張拉分配梁和前支點調節支座處理為銷軸連接形式，保證通過前支點調節支座將斜拉索的索力垂直斜面傳遞，沿斜面的分力由精軋螺紋鋼筋克服，改善了主縱梁頭部的受力，同時可有效防止張拉桿偏心受力，保證了施工安全。張拉分配梁與滑塊的柱面連接可有效解決斜拉索橫橋向角度和位置的調整。該套牽索裝置結構受力清晰，具有較強的通用性。

4 計算

牽索裝置采用大型有限元軟件ANSYS進行整體有限元建模計算，主要采用shell63單元建模。計算荷載按斜拉索進行體系轉換時需拉的最大索力考慮，張拉分配梁的材質為Q345B。張拉分配梁的計算模型如圖9所示。

圖9 張拉分配梁的計算模型

張拉分配梁的主要計算結果如圖10所示。

圖10 張拉分配梁的應力與變形云圖

通過計算，張拉分配梁在斜拉索體系轉換時的最大應力為178.4MPa<[σ]，最大豎向變形27.5mm，強度、剛度滿足規范要求。這說明該套張拉裝置具有良好的適應和傳力性能。

5 結語

采用該套雙索萬向連接裝置有效適應了斜拉索在空間上的角度變化，保證了施工掛籃結構的安全受力，優質、高效地完成了梅州廣州大橋主梁的施工任務，對后續同類型大橋施工具有較強適應性。