南京小龍灣混凝土自錨式懸索橋吊索張拉過程研究

史松磊

(南京市市政設計研究院有限責任公司,江蘇南京 210008)

南京小龍灣混凝土自錨式懸索橋吊索張拉過程研究

史松磊

(南京市市政設計研究院有限責任公司,江蘇南京 210008)

不同于地錨式懸索橋,自錨式懸索橋先梁后纜的施工方式,使其張拉過程具有顯著的可優化性。依托小龍灣自錨式懸索橋工程實例,對自錨式懸索橋張拉過程控制原則、控制目標進行了分析,在滿足橋梁結構受力安全的前提下,盡量減少接長桿數量、索鞍頂推次數、千斤頂數量和張拉批次,以較少的人力物力財力和時間來完成吊索張拉方案。建立有限元模型,模擬分析小龍灣大橋張拉全過程,根據吊索張拉安全系數、橋塔及加勁梁允許最大壓應力、最小拉應力等指標,提出適用于該橋的張拉控制方案。對比分析了成橋狀態與張拉過程中吊索的最大索力,發現在跨中14～16號吊索索力較成橋狀態索力有所增加,但均能滿足張拉過程吊索安全要求。對吊索張拉過程中橋塔及加勁梁的應力變化規律進行了總結,發現在張拉14～17號吊索時,橋塔、加勁梁等混凝土構件應力發生顯著變化。

自錨式懸索橋；吊索張拉；有限元分析；全過程分析；施工控制

0 引言

自錨式懸索橋具有景觀性強、不需要修建大體積錨碇、受地質條件限制小、橋型可結合地形靈活布置、主纜水平力可為混凝土加勁梁提供壓應力等優點,在中小跨徑橋梁方案比選中具有較強的競爭力,近年得到了較快的發展。

地錨式懸索橋梁一般先安裝吊索,梁段一般從跨中向兩端逐段拼裝,已安裝好的梁段會隨著主纜變形,吊索力的大小基本與其承擔的梁段重量相等,隨其它梁段的吊裝變化不大,吊索的長度基本不變,全橋梁段合攏后及二期恒載施加,一般不對吊索索力進行調整。

與地錨式懸索橋不同,自錨式懸索橋一般采用先梁后纜的施工方式,加勁梁先在支架現澆,現澆完成后的位置與成橋狀態位置基本一致,而成橋主纜與空纜狀態相差很大,一般空纜會上浮1～2 m,因此按照成橋狀態下料制作的吊索長度多數小于空纜狀態時索夾至加勁梁錨點的長度,吊索張拉施工時,需用接長桿接長吊索。吊索張拉過程中,考慮到加勁梁的承載能力、橋塔的承載能力、吊索的允許承載力以及施工過程中的張拉設備的數量等因素影響,張拉一般需要分批次逐步張拉,以確保張拉過程中加勁梁、橋塔、吊索的安全。但為了減少時間、人力及財力的消耗,在滿足橋塔、加勁梁、吊索等構件安全的情況下,一般應盡量減少吊索的張拉次數,使吊索拉力盡早達到設計狀態。

1 工程背景

1.1 主橋總體布置

主橋采用雙塔雙索面自錨式懸索橋,跨徑組合為44 m+96 m+44 m=184 m,道路與現狀河道斜交,斜交角度為5°,橋梁為正橋。主橋主塔總高為35.4 m,橋面以上塔高22.6 m,主纜成橋線形采用二次拋物線,中跨矢跨比為1/5.5,主纜橫橋向中心距18 m。加勁梁采用現澆預應力混凝土箱梁,梁高1.74～2.0 m。吊索標準間距為5 m,箱梁每5 m設置一橫梁與吊索對應。主塔基礎采用直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎。

主橋橋面為雙向4車道,并設置非機動車道及人行道,其斷面布置為：3.5 m(人行道含欄桿)+ 3.5 m(非機動車道)+2.5 m(側分帶)+15.5 m(機動車道)+2.5 m(側分帶)+3.5 m(非機動車道)+3.5 m(人行道含欄桿)=34.5 m。

橋梁縱坡為2.82%的對稱坡,變坡點位于主橋跨中,設置R=1 350 m豎曲線；橋面橫坡為1.5%,通過調整主梁高度來實現,道路中心線處主梁高2.0 m。圖1為橋梁總體布置及吊桿編號圖。

圖1 橋梁總體布置及吊桿編號圖(單位:m)

1.2 主纜

主纜采用對稱布置,成橋狀態下主跨跨度96 m,矢跨比為1/5.5,邊跨矢跨比為1/14.8,兩主纜纜心橫向間距為18 m；設計采用每根主纜由37股預制平行(PPWS)鋼絲成品索組成,每股成品索由91絲φ5.1 mm的鋼絲組成,標準強度fpk=1 670 MPa。主纜在架設時豎向排列成尖頂的近似正六邊形,緊纜后主纜為圓形。其在索夾內直徑為326.8 mm (空隙率18%),索夾外直徑為330.9 mm(空隙率20%)。

1.3 吊索

全橋吊索共33對66根,兩邊跨各7對,主跨19對,吊索標準間距5 m,主塔兩側吊索距塔軸線3 m。吊索采用單根109絲φ7.1 mm高強鍍鋅鋼絲組成的成品鋼絲索(帶PE護套),冷鑄錨錨固體系。吊索與索夾采用耳板銷接,下端與梁體用冷鑄錨錨固于橫梁底部,張拉端設在箱梁底部。吊索在與主梁結合處設置防水罩,預埋導管內涂抹防腐油脂,下錨頭加保護蓋板并注入防腐油脂,并在索管內注入聚氨酯發泡材料。

2 吊桿張拉方案設計

2.1 張拉控制方案原則與控制條件

由于受各種因素的制約,吊索張拉不可能一次完成。在吊索張拉過程中,需要對長度不足的吊索進行接長,并根據張拉過程,不斷對橋塔索鞍鞍座進行頂推,以減小橋塔受力。不同的張拉方案對所需接長桿數量、索鞍頂推次數、千斤頂數量各不相同。在滿足橋梁結構受力安全的前提下,盡量減少接長桿數量、索鞍頂推次數、千斤頂數量、張拉批次,以較少的人力物力財力和時間來完成吊索張拉方案,是張拉控制方案設計的根本原則。

對于小龍灣大橋,吊桿張拉過程中,為滿足橋梁結構安全,應滿足以下條件：

(1)盡量減少張拉批次,縮短張拉工期；

(2)吊索安全系數2.0；

(3)橋塔最大拉應力應小于1.3 MPa,最大壓應力應小于14.72 MPa；

(4)加勁梁最大拉應力應小于1.3 MPa,最大壓應力應小于17.92 MPa。

2.2 張拉方案

為盡量減少接長桿數量和長度,根據有限元計算結果,在橋梁空纜狀態下,對索鞍向邊跨放向進行預偏,邊跨吊索長度均能滿足安裝戴帽要求。可以先完成邊跨1～7號吊索戴帽,在中跨張拉時,采用從橋塔向跨中對稱張拉順序方案。根據計算,若安裝吊索無應力長度一次張拉到位,吊桿在張拉過程中最大應力如圖2,顯然吊索張拉中最大索力是成橋索力2倍,不滿足安全要求。根據吊索力的相鄰影響特點,采用張拉吊索前后吊索同時分批張拉方案,具體如表1。

表1 吊索張拉順序方案表

3 吊桿張拉過程模擬

采用有限元軟件Midas Civil建立全橋有限元模型,模擬張拉全過程。橋塔、加勁梁采用梁單元模擬,主纜、吊索采用大變形索單元模擬,全橋共210個單元,共217個節點。有限元模型如圖2。

圖2 橋梁有限元模型圖

4 張拉過程分析

4.1 吊桿張拉力對比

從圖3吊桿張拉力對比圖中可以看出,成橋狀態下,吊索索力比較均勻,只是橋塔兩側7號、8號吊桿索力稍大,索力均在1 779～2 194 kN之間。吊索張拉過程中,1-13號、17號吊索最大索力與成橋狀態索力基本一致,14～16號吊索最大索力分別為2 801 kN、2 930 kN、2 187 kN，是成橋狀態索力的1.42倍、1.48倍、1.1倍,但吊索索力安全系數均大于2,滿足施工階段吊索安全要求。

圖3 吊索索力對比圖

4.2 橋塔、加勁梁最不利應力

從圖4橋塔塔底最不利應力圖中可以看出,在張拉階段1～7中,塔底應力變化較小,說明在1～13號吊索張拉過程中,吊索索力均較小；在張拉階段8～17中,隨著14～17號吊索的張拉,塔底索力迅速增加,最大應力為14.34 MPa(壓應力),滿足安全要求；隨著索鞍的不斷頂推,塔底應力逐漸減小,最終塔底最大應力為12.31 MPa(壓應力)。在張拉階段1～9中,橋塔塔底會出現拉應力,最大為-1.16 MPa,滿足安全要求。

圖4 橋塔塔底最不利應力

從圖5中可以看出,在張拉階段1～8中,加勁梁最大應力、最小應力均變化較小,最大應力為0.4 MPa(壓應力),最小應力為-0.17(拉應力),均能滿足要求；在張拉階段9～17中,隨著14～17號吊索的相繼張拉,主纜拉力迅速增大,其在水平方向產生的分力使加勁梁壓應力迅速增加,且最大應力與最小應力均為壓應力,且相差較小,說明加勁梁壓應力較為均勻,張拉過程中加勁梁最大應力為3.19 MPa(壓應力),滿足安全要求。

圖5 加勁梁最不利應力

5 結語

懸索橋張拉過程是一個復雜的非線性過程,根據有限元分析結果,合理制定張拉方案,可以有效減少張拉批次、接長桿、人力及工期的消耗。根據小龍灣橋的特點,根據有限元分析結論制定張拉方案,整個張拉過程只需4次索鞍頂推,1～13號吊索可以直接完成安裝戴帽或張拉戴帽,只有14～17號吊索需要接長桿。與同類型自錨式懸索橋相比,整個張拉過程中索鞍頂推次數和吊桿使用數量都比較合理。

吊索張拉過程中嚴格遵守張拉原則,使吊索拉力安全系數大于2.0,保證了吊索在張拉過程中的安全；橋塔、加勁梁滿足最大壓應力、最小拉應力要求,避免了施工過程中橋塔、加勁梁等混凝土構件出現開裂、壓壞等情況。

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U448.25

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1009-7716(2015)09-0104-03

2015-04-21

史松磊(1983-),男,山東臨沂人,碩士,工程師,主要從事道路與橋梁設計研究工作。