大跨度斜拉橋拉索安裝扭轉控制技術*

甘國榮,李居澤,賴道輝,王正萃

(1.廣西科技師范學院,廣西 來賓 546199;2.柳州歐維姆機械股份有限公司,廣西 柳州 545005)

0 引言

隨著鋼絲抗拉強度的進一步提升,斜拉橋主跨跨越了千米級,導致斜拉索的索力、長度和規格的增大,其最大索力達10 000kN,最大索長接近600m,索重80t,給斜拉索的安裝帶來很大挑戰[1-2]。斜拉索平行鋼絲獨特的空間螺旋特征,使其合股索具有拉伸退扭行為[3],即張拉扭轉現象,控制斜拉索的張拉扭轉成為斜拉索安裝的關鍵技術[4-5]。

平行鋼絲合股索的螺旋鋼絲在受力過程中產生層間滑移,鋼絲螺旋半徑、螺旋角等參數的改變對其截面特性和受力性能有重要影響[6-8],在泊松效應和張拉扭轉的影響下,拉索的實際彈性模量在拉伸過程中不斷增大[9],其抗彎剛度和抗扭剛度隨拉力的增長呈非線性變化[10-11],給索力的精確計算和主梁線形控制帶來較大偏差[12]。在較長的合股索張拉施工中,普遍存在合股索在張拉時扭轉并帶動千斤頂油缸或穿心套轉動的現象,給安裝施工帶來較大的安全隱患,因此,對拉索張拉采取有針對性的主動防扭設計是精準控制拉索伸長值和索力,并保障施工安全的關鍵。

本文以湖北嘉魚長江公路大橋斜拉索工程為例,通過優化拉索螺旋鋼絲受力分析,分析計算拉索張拉產生的最大扭矩,據此設計千斤頂抗扭轉裝置對拉索退扭行為進行端部控制,并對抗扭轉裝置進行現場工程驗證。

1 工程概況

嘉魚長江公路大橋為主跨920m的雙塔雙索面單側非對稱鋼箱混合梁斜拉橋,起于洪湖市燕窩鎮團結村,向北連接城市圈環線高速公路洪湖段高架橋,起點里程樁號K195+641,終于嘉魚縣新街鎮,向南連接城市圈環線高速公路咸寧西段高架橋,終點里程樁號K200+301,橋梁全長4 660m,分為北岸引橋、主橋、南岸灘橋、南岸跨堤橋4個區段。嘉魚長江公路大橋全橋橋跨布置為:5×30m預應力混凝土連續小箱梁+[(70+85+72+73)+920+(330+100)]m雙塔非對稱單側混合梁斜拉橋+[8×(6×50)+(5×50)+(55+100+55)]m預應力混凝土連續箱梁橋,主橋布置如圖1所示。

圖1 主橋布置(單位:m)

全橋按扇形空間索形式共布置240根斜拉索,采用PES7-121～301共10種規格,主材為抗拉強度1 770MPa的φ7鋅-5%鋁混合稀土合金鍍層平行鋼絲,索體防護采用黑色HDPE護套+PVF氟化膜膠帶的多層結構,如圖2所示。斜拉索最大索長為494.636m(SM30拉索),最大索重40.985t。斜拉索塔端除兩對索采用混凝土齒塊錨固外,其余28對均采用鋼錨梁+鋼牛腿的錨固方式。

圖2 拉索結構示意

2 拉索安裝扭轉分析

2.1 拉索安裝扭轉現象

PES斜拉索由平行鋼絲束按標準規定平行并攏,鋼絲束初成型后,經扭絞機同心左向扭絞2°～4°而成,并經熱擠外層護套盤繞成卷后運輸至工地。現場掛索前需通過放索盤及展索小車將索展開,然后按吊裝掛索→軟牽引→硬牽引→最終張拉及調索的工序完成拉索安裝。進行前期掛索及軟牽引時,由于牽引力較小,拉索扭轉不明顯,而在后期的硬牽引(工作螺母帶帽后的張拉調索),特別是在對較長索(達到400m左右)時表現較突出,稍不注意預防則較易產生嚴重后果。輕則千斤頂損壞,重則可能引起張拉桿退絲現象,進而引起退錨等嚴重后果。

2.2 拉索扭轉受力分析

以最長的PES7-301(SM30)拉索為例進行分析。拉索各外層鋼絲以螺旋線狀圍繞中心鋼絲在拉索橫截面上近似圓周排布,如圖3所示,鋼絲公稱直徑設為d,按各層鋼絲分度圓平均半徑R1,R2,…,Ri等將鋼絲分成11層,中心鋼絲為第0層,其余鋼絲由內向外分別為第1層到第10層,設第i層鋼絲的螺旋角為αi。

圖3 拉索鋼絲分層布置

將螺旋鋼絲沿捻向展開,假設某根螺旋鋼絲的弧長為Si,在中心線上的投影為Li,忽略鋼絲間的接觸作用及鋼線截面的變化,取螺旋鋼絲微段沿軸線展開可將受力簡化,如圖4所示。

圖4 螺旋鋼絲受力

圖4中,拉索截面位于A—A平面內,螺旋鋼絲橫截面位于B—B平面內,在A—A平面的螺旋鋼絲斜截面上,作用有張拉力Fi,彎矩Mi;在B—B平面的螺旋鋼絲截面上,作用有軸向力Fti(Fi的切向分力),剪力Fsi(Fi的徑向分力)和扭矩Ti。由幾何關系可得:

Fti=Fisinαi

(1)

(2)

式中:Fi=F/n,其中F為拉索總張拉力,n為鋼絲總數。

由螺旋鋼絲和中心鋼絲受張拉產生同向位移,可得螺旋鋼絲軸向張拉位移如下:

ΔSi=ΔLisinαi

(3)

拉索張拉時一端固定,另一端為由千斤頂加載的張拉位移端,拉索鋼絲在張拉過程中處于彈性變形階段,不計鋼絲間的相互作用及泊松效應,則其能量平衡方程可表示為:

(4)

式中:G為鋼絲的切變模量,取0.79×105MPa;Ip為鋼絲的截面極慣性矩,Ip=πd4/32。

經進一步變換及簡化可得拉索總扭矩:

(5)

式中:αi為張拉后的螺旋角。

取F=6 500kN,d=7mm,n=301,E=1.95×105MPa,代入式(5)計算各層鋼絲扭矩及拉索張拉總扭矩如表1所示。

表1 拉索鋼絲扭矩匯總

將表1中每層鋼絲扭矩匯總即可算出 PES7-301 拉索按設計索力張拉后產生的最大扭矩為 6 677.5N·m。按拉索張拉(0.4,0.7,0.9,1.0)FASL的順序,分別對應由荷載步1～4逐漸加載,張拉力越大,拉索產生的扭矩越大,分級張拉的拉索扭矩曲線如圖5所示。在張拉前半段,索力由650kN增長至4 550kN,扭矩由2 111.6N·m增長至5 586.8N·m,扭矩平均增幅為89.1N·m/100kN,增長速度較快;在張拉后半段,索力由4 550kN增長至6 500kN,扭矩由5 586.8N·m增長至6 677.5N·m,扭矩平均增幅為55.9(N·m)/100kN,增幅僅為前半段的62.7%,增長趨緩。

圖5 分級張拉的拉索扭矩曲線

結合拉索張拉的荷載步分析,單根鋼絲的螺旋角越小,張拉產生的扭矩越大,反之則其扭矩越小,不同螺旋角的鋼絲扭矩如圖6所示。在同一荷載步中,鋼絲扭矩與螺旋角成負線性關系,拉索鋼絲螺旋角為87°～89.7°,隨著螺旋角的增大,在荷載步1,鋼絲扭矩由21.0N·m降至2.1N·m,其扭矩平均降幅為-7.0(N·m)/(°);在荷載步2,鋼絲扭矩由27.8N·m 降至2.8N·m,其扭矩平均降幅為-9.3(N·m)/(°); 在荷載步3,鋼絲扭矩由31.5N·m降至3.2N·m,其扭矩平均降幅為-10.5(N·m)/(°);在荷載步4,鋼絲扭矩由33.2N·m降至3.4N·m,其扭矩平均降幅為-11.0(N·m)/(°)。隨著拉力的增加,鋼絲逐漸伸長,其螺旋角緩慢增大,則其扭矩的降幅也隨之加大,因此拉索的整體扭矩增長將變緩,與圖5的拉索扭矩變化曲線吻合。

圖6 不同螺旋角的鋼絲扭矩

3 張拉防扭轉分析

3.1 拉索張拉設計

橋塔端設計采用了鋼錨梁,張拉內空間較大,能滿足張拉工藝要求,因此拉索采用塔端張拉的方式。拉索張拉前,按圖7安裝好千斤頂張拉裝置。張拉裝置主要由張拉撐腳、千斤頂、張拉桿、張拉螺母構成,千斤頂加載時,千斤頂油缸將張拉力通過張拉螺母傳遞給張拉桿,通過張拉桿位移逐步張緊拉索,與此同時支撐反力通過千斤頂傳遞到張拉撐腳上,并由鋼墊板提供所需承載力。由于油缸與撐腳、撐腳與鋼墊板、張拉螺母與油缸的抗扭力矩遠大于斜拉索張拉所產生的扭轉力矩。因此,針對千斤頂油缸內外缸間進行抗扭轉設計即可實現控制拉索的張拉退扭行為。

圖7 張拉裝置結構

3.2 千斤頂抗扭轉設計

為保證千斤頂油缸在軸向頂升時具備止轉能力,考慮在千斤頂油缸活塞頂端和外側壁設計抗扭轉裝置,如圖8所示。抗扭裝置主要由止轉懸臂、止轉滑塊和定向滑座組成,活塞頂端通過高強螺栓安裝止轉懸臂,止轉懸臂外側開槽,用蓋板固定方形止轉滑塊于槽口內;千斤頂外側壁通過螺栓固定定向滑座,方形止轉滑塊另一端安放于定向滑座的滑槽內。千斤頂活塞伸出時,由活塞上的止轉懸臂帶動止轉滑塊同向運動,定向滑座起導向和止轉作用。

圖8 千斤頂抗扭轉裝置

當千斤頂張拉至活塞極限行程200mm時,設止轉滑塊同時伸出定向滑座的距離L=272mm,此時達到拉索張拉的最大扭矩。已知止轉滑塊采用的矩形截面(a×b)為90mm×45mm。根據材料力學,可將止轉滑塊近似于矩形截面桿受彎矩作用,對其最大撓度進行極限狀態驗算:

(6)

式中:Rk為千斤頂對滑塊的作用半徑,取359.5mm。

將已知各參數代入式(6)計算,可得止轉滑塊在千斤頂最大行程極限狀態下的最大撓度為0.34mm。

根據止轉滑塊的受力條件,通過ADINA-M建立止轉滑塊有限元模型,材料參數彈性模量為2.0×105MPa,泊松比為0.3。因本模擬計算關注的是張拉過程中止轉滑塊的受力狀況,為簡化計算,在止轉懸臂與止轉滑塊側向接觸面外施加等效荷載,并對處于極限位置與定向滑座接觸的止轉滑塊兩側面施加全約束,整個計算模型共包含2.1萬多個結點,1.3萬多個計算單元,分析結果如圖9所示。

圖9 止轉滑塊有限元分析

由圖9可知,止轉滑塊的最大應力位于定向滑座的上端面兩側,距止轉滑塊底部122mm,在千斤頂最大行程極限狀態下止轉滑塊最大應力為296MPa,小于其材料設計許可應力;止轉滑塊的最大位移位于其頂部位置,其最大位移為0.32mm,與驗算的0.34mm相比,誤差為-5.9%,模擬分析結果與驗算結果吻合。

4 現場應用

綜合考慮拉索長度、質量、施工設備、工藝要求等現場條件,斜拉索的安裝采用先塔后梁、塔端張拉的施工方案。隨著拉索橋面放索和空中展索的完成,可釋放掉拉索大部分在加工和成盤過程中積蓄的附加彎矩和扭矩;然后先利用塔式起重機進行塔端掛索并入索導管進行張拉端臨時錨固,再用卷揚機牽引拉索固定端入錨梁端進行錨固。根據張拉力大小,選取YCW300-300型和YCW650A-200型兩種千斤頂進行安裝。

拉索張拉按(0.4,0.7,0.9,1.0)FASL的順序分4級進行對稱同步張拉,當張拉至拉索錨杯露出錨墊板,擰上工作螺母后繼續張拉至最終索力,并鎖緊工作螺母。在張拉桿張拉階段,千斤頂抗扭轉裝置的止轉滑塊與千斤頂活塞同步移動,抗扭轉效果良好,全橋拉索的張拉伸長值偏差均在±4%以內,滿足設計和施工要求。

5 結語

1)拉索鋼絲的螺旋角越小,其張拉產生的扭矩越大,反之則其扭矩越小。在同一荷載步中,各層鋼絲扭矩與螺旋角成負線性關系,在不同荷載步中,外層鋼絲螺旋角越小則扭矩增量越大,最內層鋼絲的扭矩增量不明顯。

2)隨著張拉千斤頂的持續加載,拉索索力的增大,由張拉產生的扭矩也呈增長趨勢,最大扭矩平均增幅達89.1(N·m)/100kN。隨著鋼絲伸長值的增加,其螺旋角緩慢增大,而其扭矩則呈下降趨勢,最大平均降幅達-11.0(N·m)/°,因此拉索的整體扭矩在張拉前半段增長較快,但最終整體扭矩的增長趨于平緩。由于本文分析不考慮鋼絲間的相互作用,計算結果偏保守。

3)大噸位抗扭轉千斤頂通過設計采用了抗扭轉裝置來提高內外缸的抗扭力矩,使千斤頂張拉時活塞伸長卻不發生相對轉動,并對止轉滑塊的極限狀態進行了校核分析,結果證明抗扭轉裝置可有效抵抗拉索張拉產生的扭矩,該大噸位抗扭轉千斤頂在嘉魚長江公路大橋主橋斜拉索安裝施工中取得了良好效果。