空間非對稱獨塔自錨式懸索橋吊索張拉施工研究

2012-07-30 08:59:24程儉廷張俊平張力文

鐵道建筑 2012年4期

程儉廷，張俊平，張力文

(1.廣州誠安路橋檢測有限公司，廣東廣州 510420;2.廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006;3.同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

由于自錨式懸索橋施工方法的特殊性，在施工過程中，吊索張拉的順序、索力的大小決定了成橋后的主纜線形和結構受力。因此，為了保證施工期間結構安全、能達到合理的成橋狀態，需要制定正確的吊索張拉等級和張拉順序。獵德大橋是一座空間非對稱獨塔自錨式懸索橋，其吊索張拉方法不同于以往研究的傳統自錨式懸索橋［1-5］，具有特殊性。為此，本文以獵德大橋為依托，對該橋型的吊索張拉等級、張拉順序進行研究，找出適用于該橋型吊索張拉施工方法。

1 研究背景

獵德大橋跨徑為(47+167+219+47)m，主纜和吊索均為空間布置。加勁梁左邊跨和主跨采用單箱三室流線形扁平鋼箱梁;錨固跨為預應力混凝土結構(C50)。主塔采用預應力混凝土結構(C50)。整個吊索張拉過程通過ANSYS進行仿真分析。主纜與吊索采用Link10單元(拉單元)，加勁梁與主塔采用Beam4單元，支撐結構采用Link10單元(壓單元)。建模時，將加勁梁材料統一等效為鋼結構。邊墩處約束主梁的豎向自由度和扭轉自由度;主橋和引橋交接處約束豎向自由度、橫向自由度以及扭轉自由度;索塔和鋼箱梁的交界處設置橫向支座。圖1是結構立面及平面圖，圖2為有限元模型。

2 吊索張拉工況

2.1 張拉等級

自錨式懸索橋在吊索張拉中一般采用逐步分等級張拉吊索迫近成橋索力，由此，梁體在張拉中何時脫模的問題是值得探討的問題。吊索合理張拉狀態的確定原則是:既要避免由于張拉力過大而出現大應力、大位移的情況;又要避免由于張拉力過小而帶來不必要的張拉輪次和施工工時增多。對于吊索張拉力而言，在所建的自錨式懸索橋實際工程中，大致有以下3種方法［4，6］:

1)將脫模前理想吊索力P分級張拉，共分為5級，分別為 0.2P，0.4P，0.6P，0.8P 和 1.0P。在前 3級(0.2P，0.4P，0.6P)執行全橋張拉工序，在第4級和第5級(即0.8P和1.0P)執行中跨張拉工序。此后，還會對吊索執行幾次張拉，這是對吊索的補張拉過程，以調整張拉力的合理狀態。

2)完成了吊索安裝的第一遍張拉，可稱之為“安裝張拉”。張拉力大約為理想吊索力P的1/4。安裝張拉結束時，并非全部吊索都已經受拉。逐漸對吊索實行P/4，P/2，3P/4及P等四階段的張拉。

3)確定30%理想索力狀態、60%理想索力狀態和100%的理想索力。

綜合以上的吊索張拉力的分級情況，結合本文研究內容，擬定以30%理想索力狀態、60%理想索力狀態和100%的理想索力，共三階段進行張拉。

正裝分析模擬吊索施工的思路:以主纜空纜狀態為起始狀態，在吊索的下錨固點分批次施加等同于30%加勁梁恒載作用的節點荷載，并給主纜和吊索單元賦初應變值模擬結構初始應力剛度，打開程序應力剛化效應和大位移控制開關，計算結構的受力和位移變化情況，并以這個狀態下吊索的內力值作為該理想狀態下吊索張拉控制值和后繼計算的初始狀態。具體索力見表1。

圖1 結構立面及平面圖(單位:m)

圖2 有限元模型

2.2 張拉順序

對于一般的雙塔三跨自錨式懸索橋，最常用的做法都是先從主塔開始張拉，因為可以減少接長桿的數量，而且在張拉過程中，對主纜的影響較少。較短的吊索索力較小，放在較后張拉，可以減少前面張拉對其的影響，并最終減少張拉次數。另外在張拉中都采用對稱張拉，以保證整個自平衡結果的穩定性。主要張拉順序有:

1)從跨中向兩邊張拉吊索，到一定階段后邊跨從錨固處張拉。

2)從跨中1/4及3/4處分別向主塔和跨中張拉，邊跨也從跨中開始向主塔及錨固處張拉。

3)從兩主塔處開始向主跨跨中張拉，邊跨部分則向錨固處張拉。

4)從主塔同時向主、邊跨開始張拉。

考慮到獵德大橋的獨塔結構和在跨度上的不對稱性，為保證整個橋體的穩定安全，擬定了2種張拉方案:①方案1是從塔處開始，向主跨梁端張拉13#，14#，15#，16#共 4對吊索;然后依次張拉主、邊跨余下吊索，張拉次序為 12#，17#，11#，18#，…，直到最后張拉28#吊索。②方案2是先對13#～16#吊索進行張拉后，同時對主、邊跨的吊索對稱張拉，即12#和17#吊索同時張拉，其余相同。

表1 張拉階段索力值 ×105N

全橋張拉完后對沒有達到預定索力的吊索再進行第二次張拉。張拉控制的標準是張拉的強度應保證安全系數不少于2，安裝后的吊索長度不短于成橋時需要的吊索長度。在吊索張拉過程中，要對吊索進行臨時接長。具體張拉順序見表2。對于每階段的張拉力，由于篇幅原因不再詳述。

表2 張拉順序方案

3 結果分析

3.1 張拉等級分析

圖3和圖4分別是各個張拉階段下，主纜的位移變化和加勁梁的彎矩變化。

圖3 主纜位移變化

圖4 加勁梁彎矩變化

由上可以看出，在不同的索力張拉等級下，主纜的非線性較為明顯，但加勁梁相對呈現線性的狀態。通過索力的不斷增大，基本可以達到一期恒載的理想索力。在吊索索力整體提升的情況下，索塔彎矩相對較小，因此同時張拉多對吊索對索塔的彎矩的減小是有幫助的。但由于各吊索是同時增加，還不能看出吊索的張拉對相鄰索力的影響，這點在下一節的張拉順序分析中會做進一步的探討。

3.2 張拉順序分析

在張拉順序分析中發現，對于兩種不同的張拉順序，結構表現出了不同的受力響應。在方案1中:

1)吊索出現了松弛，甚至零拉力的現象。例如22#吊索(圖5)，在33～36張拉步驟時，索力均為零值。

圖5 22#吊索索力變化

2)索塔底部以及索塔處的加勁梁則存在很大的彎矩。例如，在張拉13#吊索時，索塔底部彎矩達到5.89×106N·m，加勁梁跨中彎矩達到2.11×107N·m;在張拉16#吊索時，索塔底部彎矩達到1.12×107N·m，加勁梁跨中彎矩達到1.89×107N·m;在張拉7#吊索時，索塔底部彎矩達到0.99×107N·m，加勁梁跨中彎矩達到1.91×107N·m;在張拉22#吊索時，索塔底部彎矩達到1.32×107N·m，加勁梁跨中彎矩達到1.76×107N·m。

3)索塔左右索力呈現出非對稱性。例如張拉3#吊索(圖6)，在索塔左右相對位置的吊索索力相差較大，這會使主纜左右兩跨產生不平衡的水平力，對橋塔受力非常不利。

圖6 張拉3#吊索時各索索力

而對于按方案2的順序進行張拉時，結構呈現出了較合理的受力響應。在拉索松弛、索塔和主梁彎矩、索力的均勻性以及主纜位移方面有了很大改善。例如:第22#索在各張拉階段下未出現吊索松弛，索力為零的現象(圖7);張拉3#，26#吊索時(圖8)，各索索力分布比較對稱、均勻;索塔處加勁梁的彎矩大大減小，約比初期方案減小了30%(圖9);主纜的變形較為平滑，且變形量較小(圖10)。

另外，在分析過程中還發現主纜位移的弱相干性和吊索索力的相鄰影響性［7］除了在張拉初期外，基本沒有體現出來。

例如，在張拉完12#吊索(方案1)，再張拉17#吊索時，12#吊索索力明顯增大(圖11，圖12)。其它吊索亦存在此類現象。這說明，吊索的張拉不僅對鄰近的吊索產生較大的影響，同時，由于張拉沒有在主邊跨上同時進行，在張拉吊索時，還會對另外一跨的吊索存在影響。而且隨著張拉的不斷進行，單根吊索的張拉所影響的吊索范圍更加大。

而在張拉第一根13#索時，主跨的主纜變形為30.5 cm，在邊跨的大部分吊點均有較小的向上變形;但在張拉16#索時，主纜最大變形為45.2 cm，在其它吊點的變形同樣較大，吊點位移的相鄰影響同樣不成立。