斜拉橋橋塔豎轉(zhuǎn)工藝?yán)魇芰π阅苎芯?/h1>
2021-08-15 12:51:22徐琛
城市道橋與防洪 2021年7期 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)施工
徐 琛
[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433]
0 引言
目前在空間網(wǎng)狀索面獨(dú)塔斜拉橋的橋塔施工過程中，鋼主塔常規(guī)采用支架法，人工輔助，節(jié)段空中焊接作業(yè)。既不安全，功效也低。此類橋塔一般可以考慮采取“橫拼豎轉(zhuǎn)”法，豎向轉(zhuǎn)體臨時(shí)結(jié)構(gòu)主要由油缸、拉索、拉桿、壓桿、背索、轉(zhuǎn)鉸等組成，其中由李宇航對液壓油缸進(jìn)行了研究分析[1]，由楊士成對轉(zhuǎn)動(dòng)鉸進(jìn)行了研究分析[2]。本文以某景觀斜拉橋梁為背景，對拉索在施工各階段受力狀態(tài)開展理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測，并做了分析與對比。該橋梁是空間網(wǎng)狀索面獨(dú)塔景觀斜拉橋，橋塔為鋼塔，在成橋狀態(tài)下與主梁成82°夾角，向主跨傾斜，塔高104 m，采用豎向轉(zhuǎn)體法施工，轉(zhuǎn)體重量1 150 t，見圖1。
圖1 橋梁效果圖
1 拉索的作用
拉索是轉(zhuǎn)體臨時(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，通過拉索將千斤頂產(chǎn)生的拉力傳導(dǎo)到至塔體進(jìn)而使得橋塔由水平靜止?fàn)顟B(tài)，以轉(zhuǎn)鉸為軸心，實(shí)現(xiàn)豎向轉(zhuǎn)體動(dòng)作。拉索在此過程中主要承受拉應(yīng)力，傳遞拉力和控制位移。目前常規(guī)應(yīng)用中，拉索分剛性拉索和柔性拉索兩種，其中剛性拉索較多采用組合型鋼形式，柔性拉索則多采用平行鋼絲拉索或鋼絞線拉索。
相比剛性拉索，柔性拉索具有自重輕，安裝簡易，傳力順暢且價(jià)格低，運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，相比平行鋼絲，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度大，整索自重輕，下料進(jìn)度要求低、更換便捷、可單根調(diào)整索力等優(yōu)點(diǎn)。由此可見，采用鋼絞線作為拉索使用更具合理性。
2 豎轉(zhuǎn)工藝
2.1 豎轉(zhuǎn)臨時(shí)結(jié)構(gòu)
主塔施工在邊跨現(xiàn)澆箱梁主橋完成施工后進(jìn)行，主塔分節(jié)段用履帶吊吊裝至邊跨橋面拼裝胎架完成邊跨側(cè)主塔橫臥拼裝后并焊接成一個(gè)整體，然后安裝轉(zhuǎn)體臨時(shí)結(jié)構(gòu)；豎向轉(zhuǎn)體臨時(shí)結(jié)構(gòu)見圖2，其中拉索采用25×Φ17.8 鋼絞線，共4 束，分南北2 組。
圖2 豎轉(zhuǎn)臨時(shí)結(jié)構(gòu)布置圖
2.2 轉(zhuǎn)體步驟
利用前錨4 臺560 t 穿心千斤頂逐級加載，采用“位置同步，載荷跟蹤”法通過行程傳感器，檢測南北兩側(cè)錨點(diǎn)轉(zhuǎn)體行程，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保兩者最大差值不超過1 cm，在同一側(cè)的兩個(gè)轉(zhuǎn)體油缸，壓力并聯(lián)使用，各臺千斤頂之間拉力差值不大于20 t。使穿心千斤頂按照20%→40%→60%→80%→100%逐級進(jìn)行加載張拉拉索，通過拉索傳力。過程中以索力控制為主，線形控制為輔的“雙控”措施。
鋼主塔橫臥0°狀態(tài)→張拉拉索，使鋼主塔脫離胎架10 cm，靜載24 h→分級張拉拉索，塔體豎轉(zhuǎn)至20°→分級張拉拉索，塔體豎轉(zhuǎn)至41°→塔體豎轉(zhuǎn)至41°，張拉背索，并分級加載到指定荷載→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉(zhuǎn)至60°→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉(zhuǎn)至70°→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉(zhuǎn)至82°→對位焊接橋塔根部，分級張拉B1 和Z1 永久索形成自穩(wěn)，拆除臨時(shí)結(jié)構(gòu)，完成橋塔轉(zhuǎn)體施工，見圖3。
圖3 橋塔豎轉(zhuǎn)立面示意圖
3 拉索的不同施工階段有限元分析
該橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)，且橋塔為傾斜構(gòu)造，采用豎轉(zhuǎn)施工，施工過程中結(jié)構(gòu)體系將隨施工階段不同而變化，鋼絞線作為主要傳力構(gòu)件的類似工程施工經(jīng)驗(yàn)較少，施工控制難度較高。受此影響可能引起橋塔內(nèi)力和位移偏離設(shè)計(jì)理論值，這種偏離累積到一定程度如不及時(shí)加以調(diào)整修正，有可能在施工過程中發(fā)生安全事故或成橋后斜拉橋結(jié)構(gòu)的理想受力狀態(tài)將難以保證。因此施工過程中必須通過拉索對結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力進(jìn)行控制，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)，對施工步驟及控制條件作出調(diào)整，防止施工中的誤差積累，保證最終的成橋線形及結(jié)構(gòu)受力合理。
利用MIDAS CIVIL計(jì)算軟件，將塔體離散成空間桿系，建立有限元靜力分析模型，分析每一豎轉(zhuǎn)工況，依次計(jì)算各施工工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。塔體和剛性壓桿設(shè)定為梁單元，拉索設(shè)定為桁架單元。模型中拉索分兩組，見圖4～圖7。各工況計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 各工況計(jì)算結(jié)果表
圖4 拉索、柔性拉桿最大張拉力值（單位：kN）
圖5 塔體最大應(yīng)力（單位：MP a）
圖6 壓桿最大應(yīng)力值（單位：MP a）
圖7 結(jié)構(gòu)最大變形圖（單位：mm）
4 拉索受力與理論分析的對比
為降低初始提升力，一般考慮提高初始起扳角度，以10°為例，該工藝下拼裝胎架為傾斜狀態(tài)，相較于0°，拼裝胎架高度有所提高，且每個(gè)格構(gòu)柱標(biāo)高均不一致，要求測量精度較高。塔尖尾端最后一個(gè)格構(gòu)柱10°狀態(tài)下比0°狀態(tài)下要加高15 m，橫臥拼裝焊接難度和高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大。
綜上所述，初始起扳角度選取為0°更適合于該工程。這勢必會提高拉索提升力，故對實(shí)際轉(zhuǎn)體各工況的拉索索力進(jìn)行監(jiān)測，通過實(shí)際采集的索力數(shù)據(jù)，跟蹤計(jì)算分析理論狀態(tài)，得出和反饋控制措施，驗(yàn)證0°狀態(tài)作為初始狀態(tài)的合理性與可靠性。
該工程實(shí)施過程中，通過在拉索表面設(shè)置應(yīng)力計(jì)進(jìn)行拉索拉力的監(jiān)測，并在不同轉(zhuǎn)體角度時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)據(jù)見表2。通過采集的數(shù)據(jù)與有限元分析理論值進(jìn)行對比分析，理論與現(xiàn)場變化軌跡基本吻合，且橋塔豎轉(zhuǎn)過程中，整體空間姿態(tài)較為理想，變化趨勢見圖8。橋塔最終對口位置準(zhǔn)確無誤。
表2 塔體豎轉(zhuǎn)拉索拉力監(jiān)測結(jié)果表 單位：kN
圖8 監(jiān)測截面應(yīng)力測點(diǎn)變化趨勢圖
由表2 和圖8 可知，橋塔豎轉(zhuǎn)過程中，受滾軸摩擦影響，南側(cè)牽引索張拉力均略大于北側(cè)牽引索張拉力，但整體誤差均在4.5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。
5 結(jié)語
（1）針對高度較高的橋塔采用豎向轉(zhuǎn)體法可有效解決高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，保證安裝精度。較常規(guī)吊裝方案具有顯著優(yōu)勢。
（2）拉索采用鋼絞線拉索相較剛性拉索與平行鋼絲拉索具有經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、安裝方便、受力狀態(tài)清晰等優(yōu)點(diǎn)，更適用于高度較高、重量較大的塔體豎轉(zhuǎn)施工。
（3）拉索在轉(zhuǎn)體各階段的受力狀態(tài)通過采用有限元理論分析，實(shí)測采集數(shù)據(jù)結(jié)果與之相比基本吻合。
（4）本文未對柔性拉桿和剛性壓桿開展理論與實(shí)際研究對比分析，建議后續(xù)開展相應(yīng)研究，并結(jié)合拉索的研究開展總體論證。
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徐 琛
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0 引言
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圖1 橋梁效果圖
1 拉索的作用
拉索是轉(zhuǎn)體臨時(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，通過拉索將千斤頂產(chǎn)生的拉力傳導(dǎo)到至塔體進(jìn)而使得橋塔由水平靜止?fàn)顟B(tài)，以轉(zhuǎn)鉸為軸心，實(shí)現(xiàn)豎向轉(zhuǎn)體動(dòng)作。拉索在此過程中主要承受拉應(yīng)力，傳遞拉力和控制位移。目前常規(guī)應(yīng)用中，拉索分剛性拉索和柔性拉索兩種，其中剛性拉索較多采用組合型鋼形式，柔性拉索則多采用平行鋼絲拉索或鋼絞線拉索。
相比剛性拉索，柔性拉索具有自重輕，安裝簡易，傳力順暢且價(jià)格低，運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，相比平行鋼絲，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度大，整索自重輕，下料進(jìn)度要求低、更換便捷、可單根調(diào)整索力等優(yōu)點(diǎn)。由此可見，采用鋼絞線作為拉索使用更具合理性。
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圖2 豎轉(zhuǎn)臨時(shí)結(jié)構(gòu)布置圖
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圖3 橋塔豎轉(zhuǎn)立面示意圖
3 拉索的不同施工階段有限元分析
該橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)，且橋塔為傾斜構(gòu)造，采用豎轉(zhuǎn)施工，施工過程中結(jié)構(gòu)體系將隨施工階段不同而變化，鋼絞線作為主要傳力構(gòu)件的類似工程施工經(jīng)驗(yàn)較少，施工控制難度較高。受此影響可能引起橋塔內(nèi)力和位移偏離設(shè)計(jì)理論值，這種偏離累積到一定程度如不及時(shí)加以調(diào)整修正，有可能在施工過程中發(fā)生安全事故或成橋后斜拉橋結(jié)構(gòu)的理想受力狀態(tài)將難以保證。因此施工過程中必須通過拉索對結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力進(jìn)行控制，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)，對施工步驟及控制條件作出調(diào)整，防止施工中的誤差積累，保證最終的成橋線形及結(jié)構(gòu)受力合理。
利用MIDAS CIVIL計(jì)算軟件，將塔體離散成空間桿系，建立有限元靜力分析模型，分析每一豎轉(zhuǎn)工況，依次計(jì)算各施工工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。塔體和剛性壓桿設(shè)定為梁單元，拉索設(shè)定為桁架單元。模型中拉索分兩組，見圖4～圖7。各工況計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 各工況計(jì)算結(jié)果表
圖4 拉索、柔性拉桿最大張拉力值（單位：kN）
圖5 塔體最大應(yīng)力（單位：MP a）
圖6 壓桿最大應(yīng)力值（單位：MP a）
圖7 結(jié)構(gòu)最大變形圖（單位：mm）
4 拉索受力與理論分析的對比
為降低初始提升力，一般考慮提高初始起扳角度，以10°為例，該工藝下拼裝胎架為傾斜狀態(tài)，相較于0°，拼裝胎架高度有所提高，且每個(gè)格構(gòu)柱標(biāo)高均不一致，要求測量精度較高。塔尖尾端最后一個(gè)格構(gòu)柱10°狀態(tài)下比0°狀態(tài)下要加高15 m，橫臥拼裝焊接難度和高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大。
綜上所述，初始起扳角度選取為0°更適合于該工程。這勢必會提高拉索提升力，故對實(shí)際轉(zhuǎn)體各工況的拉索索力進(jìn)行監(jiān)測，通過實(shí)際采集的索力數(shù)據(jù)，跟蹤計(jì)算分析理論狀態(tài)，得出和反饋控制措施，驗(yàn)證0°狀態(tài)作為初始狀態(tài)的合理性與可靠性。
該工程實(shí)施過程中，通過在拉索表面設(shè)置應(yīng)力計(jì)進(jìn)行拉索拉力的監(jiān)測，并在不同轉(zhuǎn)體角度時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)據(jù)見表2。通過采集的數(shù)據(jù)與有限元分析理論值進(jìn)行對比分析，理論與現(xiàn)場變化軌跡基本吻合，且橋塔豎轉(zhuǎn)過程中，整體空間姿態(tài)較為理想，變化趨勢見圖8。橋塔最終對口位置準(zhǔn)確無誤。
表2 塔體豎轉(zhuǎn)拉索拉力監(jiān)測結(jié)果表 單位：kN
圖8 監(jiān)測截面應(yīng)力測點(diǎn)變化趨勢圖
由表2 和圖8 可知，橋塔豎轉(zhuǎn)過程中，受滾軸摩擦影響，南側(cè)牽引索張拉力均略大于北側(cè)牽引索張拉力，但整體誤差均在4.5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。
5 結(jié)語
（1）針對高度較高的橋塔采用豎向轉(zhuǎn)體法可有效解決高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，保證安裝精度。較常規(guī)吊裝方案具有顯著優(yōu)勢。
（2）拉索采用鋼絞線拉索相較剛性拉索與平行鋼絲拉索具有經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、安裝方便、受力狀態(tài)清晰等優(yōu)點(diǎn)，更適用于高度較高、重量較大的塔體豎轉(zhuǎn)施工。
（3）拉索在轉(zhuǎn)體各階段的受力狀態(tài)通過采用有限元理論分析，實(shí)測采集數(shù)據(jù)結(jié)果與之相比基本吻合。
（4）本文未對柔性拉桿和剛性壓桿開展理論與實(shí)際研究對比分析，建議后續(xù)開展相應(yīng)研究，并結(jié)合拉索的研究開展總體論證。
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