大跨連續鋼桁拱橋吊索塔架系統設計與施工*

程建華

(中鐵大橋局第七工程有限公司,湖北 武漢 430050)

1 工程概況

江漢七橋位于武漢市漢江下游段,主橋為132m+408m+132m跨徑的3跨連續鋼桁系桿拱橋。中跨為橫向兩片變高“N”形桁式系桿拱,邊跨為變高度鋼桁梁;標準桁寬34m,漢口側邊跨桁寬漸變至39.5m。全橋對稱設56個節間,邊跨各11個節間,中跨34個節間,節間距12m;主跨矢高90m,拱頂桁高10m,支點桁高39m。橋面系采用正交異性鋼橋面板,中跨主縱梁兼作系桿;吊桿為雙吊桿形式,采用平行高強鋼絲束,順橋向間距12m。橋面寬度47m,雙向6車道(預留拓寬8車道條件),總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:m)Fig.1 General Layout of main bridge(unit:m)

2 總體施工方案

江漢七橋主橋按照“先邊后中、先拱后梁”的總體施工順序,鋼拱合龍后先張拉臨時系桿,然后懸臂架設鋼梁。

邊跨鋼桁梁采用臨時支架拼裝施工方案。漢陽側1～3節間采用400t履帶式起重機吊裝,漢口側1～10節間需跨越防洪大堤、城市主干道等,采用100t高空軌道門式起重機吊裝;其余節間采用100t拱上吊機吊裝。

中跨鋼桁拱采用“拱上吊機+吊索塔架”懸臂架設施工方案,同時采取漢陽側邊跨“平衡梁+壓重”、漢口側邊跨“錨拉+壓重”的組合措施形成平衡體系;鋼桁拱采取“邊支點起落梁+一側縱移+調索”合龍。

中跨鋼梁靠近河道的漢口側1～6節間、漢陽側1～4節間采用臨時支架拼裝,其余鋼梁采取300t橋面吊機整節段對稱懸臂架設,直至跨中合龍。

分階段拆除臨時系桿、吊索塔架和壓重荷載進行體系轉換,最后進行吊桿索力和線形調整,完成主橋施工。

3 吊索塔架系統設計

3.1 設計原則

吊索塔架設計以控制中跨鋼桁拱懸臂架設階段結構內力和下撓變形,充分利用邊跨自重和壓重、邊支點錨拉荷載形成吊索塔架與拱梁協同受力結構為原則,合理設置塔高及吊索前后錨點位置。為減小邊跨鋼桁梁因壓重產生的應力,將邊跨吊索設在壓重區改善鋼桁梁結構受力;漢口側壓重區位于平曲變寬段,為避免錨索橫向不平衡水平力對塔架和鉸座產生較大的不利附加應力,將吊索適當向跨中平直段前移,邊支點錨拉,并將合龍口設置在漢口側減少懸臂荷載;吊索塔架與拱梁形成結構受力均衡、整體抗傾覆性能好、懸臂端變形小、易于合龍的體系,使得鋼桁拱結構受力合理、懸臂架設安全穩定。

3.2 吊索塔架系統總體布置

吊索塔架系統主要由塔架和吊索組成。吊索中跨側為扣索、邊跨側為錨索(見圖2)。塔架為空間組合塔柱,主要由上錨梁、塔柱節段、鉸座及橫、斜撐等組成,在拼裝過程中使用臨時風纜保持穩定。塔架布置于主墩鋼桁梁頂部11節間,底部與鋼桁梁上弦鉸接,上下游各設一個塔肢,中間用橫撐、斜撐連接;塔肢橫向中心間距為34m(與主桁同寬),塔柱總高度89.6m。每個塔肢各設3對扣錨索,對稱錨固在A16,A20,A24節點上;錨索漢陽側錨固在A1’,A2’,A3’節點上;漢口側錨固在A3,A4,A5節點上。

圖2 吊索塔架體系總體布置(單位:m)Fig.2 General layout of sling tower system(unit:m)

3.3 吊索塔架體系計算

吊索塔架體系是主橋鋼桁拱架設的關鍵臨時結構,采用Midas-civil有限元軟件,建立空間有限元模型:主橋和吊索塔架被離散為13 626個單元,其中拱肋、系桿和吊索塔架采用梁單元,共9 058個單元;主梁橋面板采用板單元,共4 480個單元;扣錨索及主橋吊桿采用索單元,共88個單元。0～3號墩支座均采用鉸接,其中1號墩支座限制縱向水平位移。有限元模型如圖3所示。

圖3 吊索塔架體系計算模型Fig.3 Calculation model of sling tower system

為了保證拱肋最大懸臂階段結構的穩定性,在邊跨架設完畢后,在0號墩附近節間施加7 000kN錨拉力和2 820t壓重,3號墩附近節間施加4 348.8t壓重,在主拱安裝至16,20,24節間時分別張拉1～3號扣錨索。通過對主橋中跨架設主要施工階段計算分析,當主拱安裝至第26節間時,結構最大應力199MPa,當主拱安裝至第28節間時(最大懸臂),抗傾覆系數最小為1.36,均滿足設計和規范要求(見表1);主拱兩側合龍口懸臂下撓值相差4mm。

表1 中跨架設主要施工階段數據Table 1 Data of main construction stage of mid-span erection

3.3.1扣錨索計算

單側吊索塔架共設12根扣錨索,每根索由4束鋼絞線組成,鋼絞線為φ15.24mm,抗拉強度1 860MPa,彈性模量1.95×105MPa。扣錨索塔頂為張拉端,采用防松錨具;主桁端為錨固端,采用圓形P錨。根據吊索塔架高度從低到高分別設1號、2號、3號扣錨索,扣錨索在上下游鋼絞線截面配置一致(見表2)。

表2 扣錨索截面配置Table 2 Section configuration of buckle anchor cable

采用Midas-civil建立吊索塔架空間有限元模型,模型中扣錨索采用索單元,其余構件均采用梁單元模擬;邊界條件為吊索塔架底部鉸軸處鉸接,拉索在鋼梁側固結。荷載及工況為結構自重和索力分別與縱、橫向風荷載組合。

根據模型計算分析,鋼桁拱合龍階段和系桿合龍階段受力較為不利。其中系桿合龍階段塔架各構件受力最不利,扣錨索的安全系數均大于2(見表3),滿足使用要求。

表3 扣錨索最大索力及安全系數Table 3 Maximum cable force and safety factor of buckle anchor cable

3.3.2塔架計算

塔架采用法蘭盤和M27螺栓栓接組裝式格構鋼管柱,每個塔肢采用6根φ1 000×20鋼管,材質為Q345B;橫向布置2組,間距2.2m;縱向布置3組,間距為2×3.5m。塔肢鋼管立柱組合為7m(底節)+11×6m(標準節)+3.65m(調整節)+6.96m(頂節)。塔肢間沿高度方向設4道橫撐和3道斜撐。

1)塔架位移 工況為系桿合龍+縱向風載作用于塔架時縱向位移最大,最大位移108.2mm;工況為系桿合龍+橫向風載作用于塔架時橫向位移最大,最大位移33.7mm。位移容許值為H/150=597.3mm,滿足要求。

2)塔架穩定 對塔架進行屈曲分析,臨界荷載系數為16>5, 滿足要求。單側塔肢穩定性:換算長細比19.5,屈曲應力171.5MPa<240MPa,滿足要求。單根鋼管立柱穩定性:長細比8.7,屈曲應力221.8MPa<240MPa,滿足要求。

4 吊索塔架施工

鋼桁拱懸臂架設過程中,要對主拱姿態及線形、吊索塔架變形、扣錨索力和塔柱應力、主橋基礎沉降等進行施工監測,確保結構安全。

4.1 吊索塔架施工順序

1)塔架構件工廠內制造,水運進入現場預拼。當拱上吊機前行過中支點后利用拱上吊機安裝鉸座,使用墩旁塔式起重機安裝塔架。

2)拱上吊機安裝鋼桁拱至A18節、A22節、A26節后分別安裝1號、2號、3號扣錨索。在扣錨索安裝前,分別提前2個節間開始邊跨第1次、第2次、第3次配重,先配重后張拉。1號扣錨索安裝完成后拆除臨時纜風繩。

3)拱上吊機安裝鋼桁拱至合龍后,橋面吊機安裝橋面系至合龍。

4)分階段拆除臨時系桿、吊索塔架和壓重荷載進行體系轉換,拆除順序按照安裝逆順序進行。吊索塔架拆除時要保證結構穩定性,前后索力對稱卸載,塔柱垂直度控制在1/1 500以內;最下層扣錨索卸載前需要恢復臨時風纜和剛性撐腳。

4.2 鉸座及銷軸安裝

1)鉸座安裝 單個鉸座重約35t,頂部焊接吊耳。鉸座吊裝前,在A11節點上弦前后焊接墊柱、安裝墊梁作為鉸座的臨時剛性撐腳。采用拱上吊機側后方吊裝鉸座放置在剛性撐腳上,采用20t螺旋千斤頂輔助調整鉸座,使其與A11上的底座銷孔同心,固定鉸座。

2)銷軸安裝 銷軸直徑600mm,長2m,重約4.5t。在銷軸前端安裝M36螺栓、轉換鐵塊、鋼絞線,采用塔式起重機吊裝到A11上。將鋼絞線穿到另一端,使用27t穿心千斤頂將銷軸安裝到位,安裝好后在銷軸尾端設置鋼板限位。

4.3 塔架安裝

塔架安裝采用墩旁塔式起重機由下向上逐節分層進行,采用薄鋼板在法蘭盤間隙抄墊、螺栓連接。為消除構件的加工誤差,采取塔架構件在工廠內制造,在拼裝現場“2+1”方式預拼;選擇在溫差較小的早晚時段拼裝,避免陽光偏曬,減少溫差對安裝精度的影響。

4.3.1立柱安裝

立柱按照柱底分配梁、底節立柱、中間節和頂節立柱、分配梁和上錨梁順序吊裝。

1)柱底分配梁 鉸座安裝完成后,吊裝3根柱底分配梁,下部與鉸座的螺栓連接。

2)底節立柱 先吊裝底節中間立柱,接著吊裝底節一側邊立柱、安裝水平桿,然后吊裝底節另一側邊立柱、安裝水平桿,最后將柱腳垂直度調整好后焊接柱腳。

3)中間節及頂節立柱 先安裝中間立柱,接著吊裝一側邊立柱、安裝水平桿,然后吊裝另一側邊立柱、安裝水平桿,直至完成頂節立柱吊裝。

4)吊裝分配梁和上錨梁 頂節立柱桿件安裝完后,吊裝頂節分配梁,微調頂節柱帽后將柱帽與鋼管焊接。最后安裝上錨梁,上錨梁與柱頂分配梁的墊座之間應焊接牢固,避免單根錨梁左右掛索不平衡導致傾覆。

5)調整立柱垂直度 采用2,3,4mm不同厚度的薄鋼板,在立柱上下法蘭之間的間隙進行抄墊,使上下法蘭密貼,保證立柱垂直度。

4.3.2橫撐及斜撐安裝

橫撐及斜撐鋼管長度較大,考慮到現場塔式起重機的起重能力,將橫撐分3段,斜撐分2段進行吊裝。橫、斜撐隨同立柱由下至上安裝,兩側斜撐宜對稱,便于立柱垂直度調整;斜撐在滿足吊裝質量的前提下可在邊側立柱上或者單獨進行吊裝,便于安裝并提高工效。

為保證橫撐和斜撐的精度,方便現場安裝,在加工時提前將每處的鋼管預拼好,將連接接頭焊接好。為確保同一處的橫撐、斜撐連接桿能在同一平面內,鋼管與立柱連接的接頭管標注好相貫線,確保與主管連接后相貫線角度正確。

4.4 扣錨索安裝、張拉

扣錨索采用塔式起重機吊裝,10t卷揚機整束牽引及2t手拉葫蘆輔助牽引方式安裝;采用27t穿心千斤頂逐根張拉預緊,采用 650t千斤頂整體張拉。

1)扣錨索掛設 鋼絞線在橋面下料,先掛塔端,第1層吊索采用塔式起重機在塔頂掛設,第2,3層吊索采用塔頂卷揚機牽引安裝;后掛拱端,采用卷揚機整束牽引,在主桁上弦、拱上吊機上設置轉向輪;鋼絞線用手拉葫蘆輔助牽引入錨完成安裝。為增加張拉端錨具錨固安全性,抑制鋼絞線在風荷載下振動,使鋼絞線整形不打絞,在鋼絞線束上距離錨固端5m及張拉端頂口5m和20m處安裝固定穿孔減振板。

2)扣錨索張拉 扣錨索掛設好后,對索逐根張拉緊預緊,每根張拉至單根總張拉力的50%;剩余的50%索力,采取整索張拉,按照10%分級張拉至100%。單根及整索張拉及以索力控制,并保證同束索內單索力以及整束索力均勻度不大于2%,所有扣錨索在單根預緊及整體張拉過程中必須對稱進行。

5 結語

江漢七橋主橋采用大跨度連續鋼桁拱橋,施工難度大,精度要求高,通過采取有限元計算分析,科學合理地確定塔架高度和扣錨索布置方案,實現了大跨度鋼桁拱懸臂架設結構內力均衡、抗傾覆性能好、線形控制好,其合龍口相對里程、軸偏和高程的偏差值分別為10,4,8mm,實現了鋼拱合龍口高精度控制目標。在鋼桁拱施工過程中,通過不斷優化吊索塔架安裝施工組織,提高施工效率,保證了項目順利通車并投入使用。