《武汉工程大学学报》 2020年01期
66-72
出版日期：2021-01-25
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
重庆轨道交通鹅公岩大桥吊索张拉方案
自锚式悬索桥因其结构造型美观，对地形和地质条件适应性强，且经济性能优越等诸多优点，倍受工程界的青睐。自锚式悬索桥在城市区大、中跨径桥梁选型中极具竞争力，国内外已有多座建成［1-2］。对地锚式悬索桥的相关研究很多，其建桥技术已趋成熟与完善［3-5］，但对自锚式悬索桥，人们在理论和实践上的认识还不够全面和深入，可检索到的文献资料很少［6-8］。迄今为止，国内外已建成或在建的自锚式悬索桥主桥跨径均在400 m以内，且均以较为成熟的支架法施工［9-11］，对于以斜拉法施工的跨径超过600 m的自锚式悬索桥，还未见报道。跨径从400 m至600 m的改变，其结构力学特性出现显著变化，斜拉法施工借助永久主塔悬拼扣挂主梁，架设主缆，之后通过吊索张拉进行体系转换。吊索、主缆和斜拉索均为柔性构件，整体为高次超静定结构，施工过程具有显著的几何非线性和相互干扰特性，给主要构件定位、吊索张拉索力的确定、结构体系转换的模拟计算等诸多方面造成困难；其“先梁后缆”，空缆与成桥主缆高差相差悬殊，吊索大多需要多次逐步分级张拉，才能达到设计位置［12-13］。在实际施工条件下，如何用尽量少的张拉次数达到设计成桥状态是吊索张拉过程中需要研究的另一关键技术问题；再则，斜拉桥为临时结构，其目标线形、施工初始张拉力的确定和斜拉索的拆卸时机等一系列技术问题亟待解决。鉴于此，以重庆轨道交通鹅公岩大桥为背景，利用Midas/Civil软件，建立几何非线性有限元耦合模型，通过对自锚式悬索桥斜拉法施工过程仿真模拟，对施工过程中可能出现的问题及各关键步骤的控制措施进行专题研究，以寻找技术可行、经济合理、满足设计成桥目标和便于管理与保证安全的最优体系转换方案。1 工程背景1.1 工程概况鹅公岩轨道专用桥主桥为双塔五跨双索面自锚式悬索桥，跨径布置（50+210+600+210+50）m=1 120 m，缆间距19.5 m，吊杆间距15 m，主缆矢跨比1/10，主缆采用φ5.3 mm锌铝合金镀层平行钢丝（1 860 MPa）；吊杆采用φ7 mm锌铝合金镀层平行钢丝（1 770 MPa）。其整体桥跨布局如图1所示。主桥加劲梁除锚跨及锚固段外均为全焊接钢箱梁，梁高4.5 m，梁宽22.0 m。箱梁内设置4道实腹式中腹板，位置与轨道对应。斜底板同时兼底板、腹板的功能，吊杆通过锚箱锚固于边腹板外侧。主塔为门型，塔柱竖向内收，设3道横梁。东塔高157.63 m，西塔高151.63 m，塔顶高程均为321.630 m。塔柱断面宽度为5 m，长度为7~10 m。1.2 成桥方法边跨主梁采用顶推法施工，中跨主梁采用自主塔处向跨中斜拉、扣挂悬拼施工，在跨中合拢，主梁悬拼采用架梁吊机和临时斜拉索扣挂施工。斜拉桥临时钢塔建立在悬索桥永久塔之上，总高度为42.2 m，宽14.7 m。塔柱断面为箱型，截面尺寸为3 m×5.6 m。塔柱分为9节，除底部3节外，每节塔柱均分为2块。塔柱底部3节之间采用焊接，其余各节、各块之间采用摩擦型高强螺栓连接，塔柱之间设置连接系。施工顺序为：边跨→中跨→主梁合拢→安装主缆→安装并张拉吊杆→斜拉桥体系向悬索桥体系转换。2 计算模拟技术2.1 有限元基础模型斜拉索、主缆和吊索采用Midas/Civil中索单元模拟；主桥采用鱼骨梁式平面模型，主塔采用梁单元模拟；主要构件自重均采用分布荷载模拟，索夹等附属构件自重采用节点荷载模拟。塔-梁主从连接；支架（墩）-主梁只受压弹性连接；塔-主缆自设温度杆单元连接；加筋梁端-主缆刚性连接；主缆-散索鞍斜向支座切向连接；吊索-主缆铰接，吊索-主梁刚性连接；主梁-斜拉索刚性连接，主塔底-桩基础固接。2.2 张拉初始模型鹅公岩大桥采用先斜拉后悬索施工工艺，吊索张拉初始模型由临时斜拉桥与主缆空缆构成。斜拉桥通过合理成桥状态分析求得，空缆线形由设计成桥模型经倒拆分析得到，两者都是独立的计算模型，需采取措施将两者融合，构成整体变形协调模型，即耦合模型，才能作为吊索张拉计算的初始模型。本次研究以斜拉桥成桥为基础模型，将空缆控制点与斜拉桥的几何控制点强制重合，并赋予主缆各节段无应力长度，形成Midas/Civil中的索单元，得到初始构形。主塔顶与主索鞍理论交点采用温度杆单元联接，经迭代计算得到耦合模型，如图2所示。全桥模型由818个节点、826个单元组成。2.3 施工模拟技术2.3.1 顶推模拟 悬索桥施工过程中为消除吊索张拉造成主缆在主塔两侧产生的不平衡力，需要将主索鞍与主塔预偏一定位移量，之后根据主塔两侧受力状况进行多次顶推，使塔身恢复竖直。有限元模型必须采用特殊处理，才能模拟索鞍顶推过程。本研究设计一种温度杆单元实现索鞍顶推过程的模拟，其基本原理是在主塔节点与主索鞍节点之间连接一温度杆单元，通过单元的升降温来实现主塔节点与主缆节点间的相对位移，顶推量[ΔL]由式（1）计算：[ΔL=lαΔt] （1）式（1）中：l为单元长度（m），其值应大于索鞍预偏位移量；[α]为线膨胀系数（可自定义为1/℃）；[Δt]为单元的升降温，根据索鞍顶推位移计算确定。温度单元的弹性模量比一般梁单元大6~8个数量级。用温度杆单元联接索鞍与主塔，索鞍顶推时，由温度单元的降温模拟顶推位移量，而索鞍与主塔锁定时，因温度杆的弹性模量无限大，相当于刚性联接，从而实现索鞍顶推过程的有效模拟。2.3.2 张拉模拟 自锚式悬索桥体系转换是通过吊索张拉安装实现的，由于空缆与成桥主缆竖向高差较大，必须通过接长杆连接才能张拉。吊索接长、张拉与安装改变了单元的无应力长度，实质上是改变吊索内力的过程。根据吊杆长度与索力等效互换原理［13-14］实现吊索张拉调整。假设吊索⑦及其左侧吊索已安装到位，现拟张拉⑧号索，张拉过程可按如下步骤模拟：1）将⑧号索的设计无应力长度赋予模型验算，若索力未超限，则可直接安装到位；否则，通过接长杆临时锚固。但此时接长量未知，只能在该吊索上下节点施加预设节点荷载，比如3 000 kN，代入模型重新计算，可得出⑧号索单元变形后的长度。2）根据吊索索力与变形长度互换性原理，计算⑧号吊索接长杆长度，如图3（a）所示。3）将步骤2）所得接长杆长度代入⑧吊索重新计算，如图3（b）所示，转入下一轮。4）继续张拉吊索⑨，如图3（c）所示。3 张拉方案初选3.1 控制标准1）斜拉索、吊索安全系数k=2.0，主缆k=2.5；2）永久塔顶位移（±30 cm）；3）塔、梁混凝土控制截面应力：σ轴压+σ弯拉≤0，特殊情况≤0.7σt，C55、C60轴心抗拉强度按规范取值；4）主缆-索鞍之间抗滑移系数μ=0.15，主缆-索鞍抗滑安全系数K≥2.0；5）主梁容许应力≤264 MPa；6）钢塔与永久塔连接处控制弯矩5.0 ×107 N·m；7）锚固段斜拉索最大张力≤6.5×106 N。3.2 可行方案经分析研究，鹅公岩大桥吊索张拉方案主要需解决斜拉桥目标线形的确定、临时斜拉索拆除时机和吊索张拉顺序。3.2.1 斜拉桥目标线形的确定 对于分段施工的悬索桥，最终成桥状态内力和位移由以下条件确定［14］：1）荷载作用位置和大小；2）结构体系；3）边界约束条件；4）构件单元在零应力状态下的长度和曲率。理论上讲，上述4种条件均可由设计事先确定，斜拉桥是临时结构，其目标线形并不影响最终结果。然而，斜拉桥到悬索桥的体系转换是通过吊索张拉与安装逐步实现的，主梁目标线形的高低与接长杆用量、张拉循环次数、张拉控制力等中间过程密切相关，这些中间过程又与设备的配备、调度、安全与组织管理直接关联。因此，“先斜拉，后悬索”的成桥方法，首先要确定斜拉桥的目标线形。确定标线形主要考虑以下两个因素：1）吊索张拉方案的优劣，安全可控；2）成桥质量满足设计要求，残余应力小。前者主要取决于主桥线形与空缆线形的高差，后者主要决定于主梁安装质量。理论上讲，主桥线形越高，离空缆的垂直高差越小，吊索张拉与体系转换越易，安全风险小，反之，风险就大。一般认为主桥在去二期恒载工况下，静荷载最小，桥梁线形最高；设计成桥静荷载最大，线形最低。因此去二期恒载的线形优于设计成桥线形。另一方面，如果按去二期恒载线形进行控制，拼装主梁的施工难度较大，成桥将难以满足设计要求的力学性能；如果按规范（TB10002.2－2005）要求取恒载+1/2静活载产生的挠度，取反后预起拱架设。这样成桥后残存应力相对较小，但此时的主梁线形与空缆线形高差较大，后续吊索张拉的施工控制较麻烦。因此，在可行域范围内［15-18］，初选去二期恒载、设计理论和按规范3种线型，作为进一步计算分析比较的斜拉桥目标线形。3.2.2 吊索张拉顺序 吊索张拉方案有“先边后中”和“边中共进”两种方案。“先边后中”方案，先完成边跨所有吊索张拉安装，再张拉安装中跨吊索；“边中共进”方案，边、中跨吊索张拉安装同步或者穿插进行。3.2.3 斜拉索拆除 斜拉桥为施工结构，悬索桥建成后必须拆除。从技术角度分析，斜拉索拆除有2种方案：1）吊索张拉安装推进到某对斜拉索位置时，随即拆除该对斜拉索；2）全部吊索张拉安装完毕，从上至下逐对拆除斜拉索。计算结果表明：从施工控制角度分析，两方案并无显著差异；从管理与安全性方面考虑，方案一吊索安装与斜拉索拆除穿插进行，相互干扰大，组织复杂，斜拉索由下至上拆除，最后拆除临时钢塔顶部斜拉索，易导致临时钢塔倒塌，施工风险大。因此选择方案二。边跨空缆未安装吊索时比成桥线形高，主索鞍向边跨预偏，使其比成桥线形低。综合作用下边跨的空缆线形较成桥线形低。因此，采用“先边后中”方案，可将边跨吊索一次性安装到位；但中跨接长杆长度有所增大。如采用“边中共进”的方案，则中跨接长杆长度有所减少，但边跨吊索张拉需增加千斤顶。考虑到中跨吊索数量多，接长杆成本高，相较而言，“边中共进”比“先边后中”明显优越，因此采用“边中共进”方案。由于索鞍向边跨预偏，主跨空缆在跨中附近抬升量较大，主塔附近抬升量较小，中跨吊索宜从塔边向跨中顺序张拉，所需接长杆量较少，前期张拉吊索力较小，张拉设备移动距离或所需设备数量均较少。3.2.4 张拉初始方案 根据上述分析，结合体系转换控制标准，选择技术可行的三种代表性方案进行模拟计算，以进一步评定优劣。方案一：以去二期恒载斜拉桥线形为基础，中跨从塔侧开始顺次张拉一次能到位的吊索，每次张拉一根，之后，边跨从塔侧向锚固端推进，中跨从余下吊索开始向跨中推进，对称张拉，吊索全部张拉完成后拆除斜拉桥，加二期恒载。方案二：以设计成桥线形为基础，中跨从塔侧始顺次张拉，边跨从塔侧始向锚固端推进，对称张拉，吊索全部张拉完成后拆除斜拉桥，加二期恒载。方案三：先按规范成桥，之后将桥梁线形通过调整斜拉索索力达到或接近去二期恒载的主梁线形。中跨从塔侧始顺次张拉7根一次到位的吊索，每次张拉一根，边跨从塔侧始向锚固端推进，中跨从余下吊索始向跨中推进，对称张拉，全部吊索张拉完成后拆除斜拉桥，加二期恒载。4 模拟结果分析将上述初选方案，分别建立有限元模型，进行施工过程仿真分析。4.1 主塔顶水平位移体系转换过程中，主塔顶顺桥向水平位移，如图4所示。从图4中可以看出，3个方案的塔顶顺桥向水平位移变化趋势基本相同，大部分时段东西主塔均向跨中偏移，但都在控制范围（30 cm）之内，成桥阶段恢复到接近垂直状态。4.2 控制截面内力永久塔底截面应力、临时钢塔底弯矩、钢混结合段弯矩和中跨主梁截面内力分别见图5~图7。由图5可以看出，东西主塔底应力变化趋势与塔顶顺桥向水平位移基本相同，三种方案均未出现拉应力，最大压应力≤7 MPa，在控制范围之内。由图6可以看出，临时钢塔底弯矩变化较为复杂，也是本桥控制的重点指标之一，三种方案的塔底弯矩均在控制范围内（≤5.0×107 N·m）。钢混结合段也是本桥施工过程中的薄弱环节，其弯矩无严格的控制值，前提是保证上下翼缘在拉应力作用下不允许出现裂缝。从图7可以看出，东西边跨钢混结合段的弯矩均≤1.25×108 N·m，研究表明，在这一弯矩作用下混凝土不会开裂。加筋梁为钢箱梁，其拉压强度均大于实际发生的应力，本次计算主要观察其变化规律，作为后期索力调整的依据。3种方案体系转换阶段主梁最大应力120~150 MPa，具有足够的安全储备。4.3 斜拉索索力斜拉索索力变化是体系转换过程必须控制的另一重要指标。张拉过程中斜拉索最大索力和斜拉索拆除前索力见图8。由图8可以看出，体系转换过程中，3方案斜拉索最大索力分别为5 233，6 456和5 910 kN，均小于6 500 kN的控制值。斜拉索拆除前索力均小于最大索力，这为张拉、拆索共用同一套设备创造条件。5 方案综合评定将各方案张拉过程中吊索张拉批次、接长杆数量和张拉设备台套数等经济性指标和主缆、吊索和斜拉索安全系数，主缆与索鞍间滑移安全系数，梁、塔控制截面内力等安全指标汇总对比，如表1所示。由表1可以看出，方案一和方案三各项指标均较接近，方案二明显劣于前两方案。但钢箱梁一般都按设计成桥线形安装，方案一是按去二期恒载线形建造，由于该方案需人为提升主梁标高，施工与控制难度较大，质量难以保证，最终导致施工成桥与设计成桥状态出现较大差异，不利于设计成桥的功能发挥。综合比较，推荐方案三作为鹅公岩大桥体系转换方案。6 结 论本文以重庆轨道交通鹅公岩大桥为背景工程，基于Midas/Civil软件平台，建立斜拉桥-悬索桥耦合模型，通过对施工过程计算模拟，对600 m跨径自锚式悬索桥斜拉法成桥体系转换方案进行研究，形成如下结论：1）体系转换前主桥的目标线形以接近去二期恒载线形为最佳；2）3种实现目标线形的方法中，以调整部分斜拉索索力提升主梁线形的方法效果最好；3）2种斜拉索拆除方案中，全部吊索安装完毕后，从塔顶向下拆除方案较为安全；4）先中跨从主塔侧向跨中方向顺序张拉7根索，然后中跨继续向跨中推进，边跨从主塔侧向锚固端推进，一侧一根，间隔循环张拉方案为最优。