郭家沱長江大橋主纜狀態影響參數敏感性分析

熊桂開,王 輝,陳翰新,何旭東

(1. 重慶大學 土木工程學院,重慶 400045; 2. 重慶市勘測院,重慶 401121; 3. 西南交通大學 土木工程學院,四川 成都 610031; 4. 重慶中建郭家沱大橋建設運營管理有限公司,重慶 400020)

懸索橋跨越能力大、造型優美,是現代橋梁的重要形式之一[1]。公軌兩用懸索橋與公路懸索橋相比,具有荷載大、結構受力復雜、行車舒適性要求高等特點,因此對橋梁線形精度的要求也更高。主纜作為懸索橋的主要承重構件,是控制懸索橋成橋線形的重要因素,當懸索橋主纜架設完成后,主纜的實際成橋線形已經確定,后期施工中無法對主纜進行調整,因此在懸索橋的施工控制中,空纜線形是主纜施工的重要控制指標[2-5]。主纜的空纜線形受許多因素影響。例如:架設時主纜溫度、橋塔預抬高值、主纜鋼絲制造誤差(鋼絲直徑制造誤差、鋼絲彈模制造誤差等)、鋼桁梁重量誤差等。

為確保成橋后的橋梁線形符合設計要求,在進行懸索橋主纜施工控制時,精準計算出主纜的空纜線形對指導主纜架設施工至關重要[6]。筆者以一座在建大跨度公軌兩用懸索橋為例,基于BNLAS軟件,采用空間幾何非線性有限元分析方法,從架設時的主纜溫度、橋塔預抬高值、鋼絲彈性模量、鋼絲直徑、鋼桁梁重量誤差等參數來分析其對主纜狀態的影響。

1 項目概況

郭家沱長江大橋是重慶市六縱線橫跨長江的節點性工程。該橋為(67.5+720+75)m的單孔懸吊雙塔三跨連續鋼桁梁公軌兩用懸索橋。大橋采用雙層布置,上層為8車道城市道路,設計時速80 km/h;下層為雙線軌道交通,線間距5.2 m,最高設計運行速度100 km/h。主纜采用預制平行鋼絲束股法(PPWS)形成,矢跨比為1∶9,兩根主纜中心距為38 m,通長索股133股,每根索股由127根直徑5.45 mm、公稱抗拉強度1 860 MPa高強鍍鋅鋼絲組成。吊索僅在中跨設置,采用公稱直徑5.00 mm、公稱抗拉強度1 860 MPa高強鍍鋅鋼絲組成,吊點標準間距為15.0 m。加勁梁采用正交異性鋼橋面板桁結合鋼桁梁,主桁架為帶斜撐的三角形桁架,主桁架高度12.7 m,標準節間長度15.0 m,兩片主桁中心間距為17.0 m。橋跨布置見圖1;有限元模型見圖2。

圖1 郭家沱長江大橋橋跨布置(單位:cm)

圖2 郭家沱長江大橋有限元模型

2 主纜狀態影響參數分析

2.1 溫度對主纜線形的影響

溫度荷載是懸索橋的主要荷載之一。大跨度懸索橋為柔性結構體系,溫度變化會引起結構狀態的顯著改變。國內學者對此進行了大量研究,張永水等[6]通過分析得出溫度對懸索橋線形有較大影響的結論,在懸索橋空纜架設施工中,溫度不僅會改變主纜索股長度,還會引起主塔偏位;范杰等[7]針對懸索橋空纜線形對跨徑及溫度變化敏感的特點,從理論和工程實踐上系統性的闡述了該影響。

根據郭家沱長江大橋設計資料,設計基準溫為20 ℃,為精確計算架設時主纜溫度變化對空纜線形的影響,結合橋位處施工環境,分別采用架設溫度為0、10、20、30、40 ℃這5種溫度工況,計算分析架設時主纜溫度對空纜線形影響,計算結果采用相對設計基準溫度(20 ℃)的變化值表示,如表1。

表1 主纜溫度對主纜空纜線形影響

從表1可知:當架設時主纜溫度每升高10 ℃,計算出的主纜空纜線形中跨跨中矢高將降低0.295 m,邊跨跨中矢高將降低0.034 m;中跨空纜線形受溫度影響較大,邊跨空纜線形受溫度影響較小。這是因為在不同架設溫度下,得出的索鞍預偏量不同。若鞍座固定,溫度變化引起單孔懸吊懸索橋中跨主纜力變化小,邊跨主纜力變化大;若鞍座放開,為保證塔頂兩側主纜水平力達到平衡,從而邊跨主纜矢高變化小,中跨主纜矢高變化大,故中跨跨中空纜矢高相較于邊跨受架設溫度影響大。

懸索橋施工控制一般選擇在結構各部分溫度盡量接近的情況下進行,并在架設時要對環境溫度場進行監測,其目的是為主纜線形調整、監控計算提供參數,精確計算并指導主纜的空纜架設,保證其架設精度要求[8]。從變化規律中可看出:主纜跨中矢高變化值與架設溫度近似為線性關系,可用式(1)表達。

St=S0+K(T0-T)

(1)

式中:St為任意溫度下跨中矢高值;S0為設計基準溫度下跨中矢高值;T為絲股架設期間平均溫度;T0為設計基準溫度;K為主纜架設溫度影響系數(本橋可近似取值K=0.029 6)。

2.2 橋塔預抬值對主纜線形的影響

混凝土橋塔在索鞍傳遞的上部結構豎向荷載作用下,將產生彈性壓縮,隨著時間變化,也將產生收縮變形及徐變。為確保成橋后塔頂標高滿足設計要求,施工時會將塔頂標高在設計標高狀態基礎上進行預抬[9]。如:萬州新田長江大橋塔頂預抬值為69 mm;南沙大橋坭洲水道橋預抬值為90 mm;深中通道伶仃洋大橋預抬值為100 mm[10]。

通過對于郭家沱長江大橋南北塔的橋塔預抬高值計算,在施工中給出的橋塔預抬高值為65 mm。為分析橋塔預抬高值對主纜空纜線形的影響,筆者擬采取南北橋塔均預抬高10、30、50、70、90 mm這5個工況對主纜空纜線形影響進行分析,計算結果采用相對橋塔預抬高值為50 mm的變化值表示,見表2。

表2 橋塔預抬值對主纜空纜線形影響

從表2可知:橋塔塔高變化與主纜空纜線形變化成正向關系,且基本呈線性變化規律。南北側邊跨跨中空纜矢高變化值基本相等,在橋塔預抬值為90 mm時,中跨跨中主纜矢高變化相對值達94 mm,影響較大,為確保主纜線形與設計線形一致,需在施工過程中嚴格控制橋塔高程精度。

2.3 彈性模量對主纜狀態的影響

本橋主纜由133股、127絲、直徑為5.45 mm的高強平行鋼絲組成,鋼絲彈性模量為1.97×105MPa。主纜鋼絲在制作時會存在一定的彈性模量誤差(-0.1×105～+0.1×105MPa),且鋼絲彈性模量具有一定離散性,故其真實值也會有一定的變化范圍,這將會影響主纜的索股實際長度。為分析不同鋼絲彈性模量值對主纜空纜線形、索股無應力長度和主纜成橋內力影響,筆者分別取主纜鋼絲彈性模量為1.87×105、1.92×105、1.97×105、2.02×105、2.07×105MPa進行有限元計算分析。計算結果采用相對設計基準彈性模量(1.97×105MPa)的變化值表示。圖3為彈性模量對空纜線形影響;圖4為彈性模量對主纜無應力長度影響;圖5為彈性模量對主纜成橋內力的影響(采用絕對值)。

圖3 彈性模量對空纜線形影響

圖4 彈性模量對索股無應力長度影響

圖5 彈性模量對主纜成橋內力影響

由圖3可知:當鋼絲彈性模量為2.07×105MPa時,主纜空纜線形的中跨跨中矢高降低了32.2 cm,邊跨跨中矢高降低了3.8 cm,隨著鋼絲彈性模量增加,空纜線形的矢高將逐漸降低,且中跨跨中矢高變化值較南北兩側邊跨大,呈現反向線性變化規律?？傮w來說,鋼絲彈性模量對主纜線形影響較大。

由圖4可知:彈性模量與索股無應力長度近似呈正向線性變化,當鋼絲彈性模量取值為2.07×105MPa時,主纜索股的無應力長度增加了19.7 cm,影響較大。在進行主纜空纜線形計算時,施工控制目標是使主纜成橋狀態能達到設計線形,即控制成橋主纜的等效曲線長度與設計長度一致。而主纜各跨的等效曲線長度Sc等于其索股無應力長度Sw與索股彈性伸長量Se之和,如式(2)。

Sc=Sw+Se

(2)

當Sc一定時,當鋼絲彈性模量越大時,主纜彈性總伸長量越小,所對應的索股無應力總長度越長,由此計算得出的空纜跨中矢高越低。

由圖5可知:彈性模量對成橋主纜內力影響較小,當彈性模量增加2.5%時,主纜水平張力僅增加2 kN(0.000 9%);豎向張力僅增加1 kN(0.001%)。

2.4 鋼絲直徑對主纜線形的影響

文獻[11]指出:公稱直徑5.00 mm的鋼絲允許偏差為±0.06 mm。為分析主纜鋼絲直徑誤差對于主纜狀態影響,筆者考慮選取主纜鋼絲直徑分別為5.39、 5.41、 5.43、 5.45、 5.47、 5.49、 5.51 mm,計算結果采用相對設計標準值5.45 mm變化值表示,如圖6。

圖6 鋼絲直徑對空纜線形影響

由圖6可知:當鋼絲直徑為5.51 mm時,中跨跨中空纜矢高降低了15.5 cm,影響較為明顯;南北跨跨中矢高分別2.2、1.6 cm,影響較跨中小。由此可知鋼絲直徑越大,空纜線形矢高越低,兩者基本呈反向線性關系。

2.5 鋼桁梁重量誤差對主纜狀態的影響

橋梁鋼桁梁采用倒梯形斷面形式,桁寬17 m;鋼梁全長862.5 m,上層橋面主跨全寬39.0 m,邊跨全寬37.0 m;主桁采用等高三角形桁式,標準節間長度15 m,標準節段重420 t;中部段長度20.5 m,鋼材用量635 t。鋼桁梁重量將直接影響主纜空纜線形、無應力長度和主纜成橋內力,由于鋼桁梁重量在實際制造過程中存在著一定誤差,本次采用每節段梁±2.5 t的誤差進行計算分析。圖7為鋼桁梁重量誤差對空纜線形影響;圖8為鋼桁梁重量誤差對主纜無應力長度影響;圖9為鋼桁梁重量誤差對主纜成橋內力的影響(采用絕對值)。

圖7 鋼桁梁重量誤差對空纜線形影響

圖8 鋼桁梁重量誤差對主纜無應力長度影響

圖9 鋼桁梁重量誤差對主纜成橋內力影響

由圖7可知:鋼桁梁制造重量誤差對中跨跨中空纜線形影響較大,當誤差為+2.5 t時,主纜中跨跨中矢高將提高4.7 cm;對南北邊跨跨中空纜線形影響較小,當誤差為+2.5 t時,邊跨跨中矢高僅提高0.7 cm。由此可看出兩者基本呈現線性正向變化規律。

由圖8可知:鋼桁梁制造重量誤差對主纜無應力長度影響較小,當誤差為+2.5 t時,索股無應力長度減少2.5 cm。由此可看出兩者基本呈現線性反向變化規律。

由圖9可知:鋼桁梁制造重量誤差對主纜成橋內力有一定影響,當誤差為+2.5 t時,成橋狀態主纜水平張力增加了1 350 kN,成橋狀態主纜豎向張力增加了587 kN。由此可看出兩者基本呈現線性正向變化規律。

總體而言,鋼桁梁重量制造誤差對于主纜中跨跨中空纜線形影響較大,對主纜施工完成后的吊索下料長度計算影響也較大[12]。在施工控制中需要準確掌握鋼桁梁稱重數據,及時進行主纜索股架設及吊索下料長度修正調整。

3 參數敏感性評估

根據架設時主纜溫度、橋塔預抬值、鋼絲彈性模量、鋼絲直徑、鋼桁梁重量誤差等5個參數對主纜狀態的分析結論,對影響主纜狀態的參數敏感性進行對比評估,如表3。

表3 主纜狀態影響參數敏感性分析

4 結 論

1)溫度是影響懸索橋結構受力的重要荷載,對空纜線形有著顯著影響,屬于高敏感性因素。在主纜架設施工過程中應對主纜溫度場進行精確監測并將其反饋到調索計算工作中。

2)橋塔預抬值對空纜線形影響較大,兩者基本呈正向線性變化規律,屬于高敏感性因素。在施工過程中需嚴格控制塔頂高程精度。

3)主纜鋼絲彈性模量對空纜線形、索股無應力長度影響較大,屬于高敏感性因素。為準確計算空纜線形與索股無應力長度,在施工監控中應準確獲取廠家生成的鋼絲彈性模量實驗值。主纜彈性模量對成橋主纜內力影響較小,屬于低敏感性因素。

4)鋼絲直徑對空纜線形有一定影響,屬于一般敏感因素。

5)鋼桁梁重量誤差對空纜線形影響較大,屬高敏感性因素;對主纜無應力長度影響較小,屬低敏感性因素;對成橋內力有一定影響,屬一般敏感性因素。為確保架設精度,須在鋼梁加工完成后,對其采取現場稱重方式獲得真實的重量并反饋到現場監控計算中。