大跨懸索橋貓道改吊影響效應(yīng)分析

陳 翔， 陳雙慶， 王 遲

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004； 2.湖南文理學(xué)院， 湖南 常德 415000；3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410000)

目前懸索橋在大跨度橋梁中應(yīng)用廣泛，施工技術(shù)成熟[1-2]。懸索橋主纜施工主要采用空中編纜法(AS法)，而AS法主纜施工過程中貓道是不可或缺的工作平臺[3-4]。待主纜安裝完畢進(jìn)行加勁梁的安裝時，由于主纜的大位移效應(yīng)，需將貓道進(jìn)行改吊，改吊后貓道重量由主纜直接承受，間接影響整個上部結(jié)構(gòu)的施工[5-6]。

本文以重慶某在建大跨懸索橋?yàn)楸尘埃治鲐埖栏牡鹾蟮闹骼|變形和受力情況，研究貓道改吊對上部結(jié)構(gòu)施工的影響規(guī)律。此研究對后續(xù)大跨懸索橋的施工控制，尤其是貓道設(shè)計(jì)和驗(yàn)算具有較大借鑒意義。

1 工程概況

以重慶某在建大跨懸索橋?yàn)楸尘?，跨徑布置?205+739+221)m，全長1165m。主纜成橋設(shè)計(jì)垂度為82.111m，設(shè)計(jì)矢跨比為1/9，上、下游主纜橫向中心距為32.5m，橋型布置立面圖見圖1。

該懸索橋采用連續(xù)式貓道布置方式，理論跨徑布置為(200.6+739+216.9)m，貓道均設(shè)置于上、下游各主纜中心線正下方，貓道橫斷面寬4m。設(shè)計(jì)空載狀態(tài)下貓道垂度為74.466 8m，矢跨比為1/9.92，貓道主體布置見圖2和圖3。

圖1 主橋布置立面圖(單位： cm)

圖2 貓道布置立面圖(單位：cm)

圖3 貓道斷面圖(單位：cm)

2 貓道改吊簡述

在主纜安裝完畢后、加勁梁安裝前，由于主纜的大位移效應(yīng)，一般將貓道改吊至主纜索股上；在主纜索股附屬設(shè)施及防護(hù)纏絲等全部施工完成后，再對貓道進(jìn)行全面拆除。

貓道改吊的過程一般可總結(jié)如下：首先拆除其風(fēng)纜抗風(fēng)系統(tǒng)，隨后為保證后期纜索吊機(jī)的順利運(yùn)營，對貓道橫向聯(lián)系通道進(jìn)行拆除。改吊后的貓道自重及貓道上所有荷載均可直接或間接等效為主纜所承受的豎向力，且貓道與主纜索股協(xié)同變形，所以貓道荷載全對施工過程中的主纜線形產(chǎn)生影響，故在施工或設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對貓道改吊效應(yīng)進(jìn)行考慮。

3 仿真計(jì)算模型建立

根據(jù)該大跨懸索橋設(shè)計(jì)及施工資料，利用有限元軟件Midas Civil在整個施工流程建立結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析模型。橋梁施工流程見表1，貓道建模參數(shù)見表2。分別對考慮和不考慮貓道改吊效應(yīng)的全橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力及變形計(jì)算，重點(diǎn)分析主纜的受力和變形情況，研究貓道改吊對主纜受力行為的影響規(guī)律，以便更好地指導(dǎo)施工。

表1 全橋施工簡化流程一覽表施工步驟施工內(nèi)容1主纜索股空纜架設(shè)2結(jié)構(gòu)貓道的改吊3安裝主纜豎向吊桿4按節(jié)段S1、N1至S26、N26順序安裝5按節(jié)段S30、N30至S27、N27順序安裝6二期至成橋

表2 貓道計(jì)算參數(shù)表構(gòu)件單元類型彈性模量/MPa泊松比主纜1770索單元205 0000.3吊索1670索單元205 0000.3加勁梁梁單元206 0000.3主塔梁單元34 5000.2線膨脹系數(shù)容重/(tonf·m-3)截面面積/m20.000 01278.5000.194 680.000 01278.5000.003 020.000 01278.500—0.000 0102.549—

根據(jù)貓道改吊各荷載數(shù)據(jù)資料計(jì)算分析可知，貓道結(jié)構(gòu)自重集度為926.91N/m(未計(jì)入貓道橫向通道荷載)，根據(jù)貓道改吊后與主纜的節(jié)點(diǎn)連接方式將貓道荷載按集中力施加至主纜連接節(jié)點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)受力分析加載模型見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)受力分析加載模型圖

4 貓道改吊效應(yīng)分析

分別按是、否考慮貓道改吊效應(yīng)建立對應(yīng)的仿真分析計(jì)算模型，模型中通過改變施工階段參數(shù)研究貓道改吊對主纜荷載的影響，對全橋結(jié)構(gòu)在所有施工階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力及變形計(jì)算，并對比分析貓道改吊效應(yīng)對全橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響。貓道改吊對各施工階段南北兩岸各橋塔主索鞍預(yù)偏量的影響分析見表3。

表3 貓道改吊效應(yīng)對各橋塔主索鞍預(yù)偏量影響分析表 m施工階段編號施工階段內(nèi)容南橋塔主索鞍北橋塔主索鞍考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)1主纜架設(shè)1.19 1.19 -1.02 -1.02 2貓道改吊施工1.16 —-1.00 —3主纜吊桿安裝1.12 1.16 -0.96 -1.00 4節(jié)段S1、N1安裝0.95 0.97 -0.82 -0.84 5節(jié)段S2、N2安裝0.84 0.85 -0.73 -0.74 6節(jié)段S3、N3安裝0.76 0.76 -0.67 -0.67

續(xù)表3 貓道改吊效應(yīng)對各橋塔主索鞍預(yù)偏量的影響分析表 m施工階段編號施工階段內(nèi)容南橋塔主索鞍北橋塔主索鞍考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)7節(jié)段S4、N4安裝0.70 0.70 -0.61 -0.62 8節(jié)段S5、N5安裝0.65 0.65 -0.57 -0.58 9節(jié)段S6、N6安裝0.60 0.61 -0.53 -0.54 10節(jié)段S7、N7安裝0.57 0.57 -0.50 -0.51 11節(jié)段S8、N8安裝0.53 0.54 -0.47 -0.48 12節(jié)段S9、N9安裝0.50 0.51 -0.45 -0.45 13節(jié)段S10、N10安裝0.47 0.48 -0.42 -0.43 14節(jié)段S11、N11安裝0.44 0.45 -0.39 -0.41 15節(jié)段S12、N12安裝0.42 0.43 -0.37 -0.38 16節(jié)段S13、N13安裝0.39 0.41 -0.35 -0.36 17節(jié)段S14、N14安裝0.37 0.38 -0.33 -0.34 18節(jié)段S15、N15安裝0.35 0.36 -0.31 -0.32 19節(jié)段S16、N16安裝0.33 0.34 -0.29 -0.30 20節(jié)段S17、N17安裝0.31 0.32 -0.28 -0.29 21節(jié)段S18、N18安裝0.29 0.30 -0.26 -0.27 22節(jié)段S19、N19安裝0.28 0.29 -0.25 -0.26 23節(jié)段S20、N20安裝0.26 0.27 -0.23 -0.24 24節(jié)段S21、N21安裝0.25 0.26 -0.22 -0.23 25節(jié)段S22、N22安裝0.23 0.25 -0.21 -0.22 26節(jié)段S23、N23安裝0.22 0.23 -0.20 -0.21 27節(jié)段S24、N24安裝0.21 0.22 -0.19 -0.20 28節(jié)段S25、N25安裝0.20 0.21 -0.18 -0.19 29節(jié)段S26、N26安裝0.19 0.21 -0.17 -0.18 30節(jié)段S30、N30安裝0.19 0.20 -0.17 -0.18 31節(jié)段S29、N29安裝0.18 0.20 -0.16 -0.18 32節(jié)段S28、N28安裝0.18 0.20 -0.16 -0.18 33節(jié)段S27、N27安裝0.18 0.19 -0.16 -0.17 34成橋-0.01 0.00 0.01 0.00

根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制貓道改吊效應(yīng)對全橋各施工階段主索鞍預(yù)偏量的影響對比曲線，見圖5和圖6。

圖5 貓道改吊對南塔主索鞍預(yù)偏量影響曲線圖

圖6 貓道改吊對北塔主索鞍預(yù)偏量影響曲線圖

貓道改吊效應(yīng)對主纜中跨垂度及最大索力的影響如表4所示。根據(jù)表4中數(shù)據(jù)繪制出貓道改吊效應(yīng)對全橋各施工階段主纜最大索力及中跨垂度的影響對比曲線，見圖7和圖8。

表4 貓道改吊效應(yīng)對主纜中跨垂度及最大索力影響表施工階段編號施工階段最大索力/kN中跨跨中垂度/m考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)差值考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)差值1主纜架設(shè)16 789.6216 789.620.000.000.000.002貓道改吊施工17 154.42—— 0.15——3主纜吊桿安裝19 873.8117 155.42-2 718.40-0.16-0.150.014節(jié)段S1、N1安裝23 884.5921 176.29-2 708.30-4.73-4.96-0.235節(jié)段S2、N2安裝27 841.9125 165.21-2 676.70-6.65-6.93-0.286節(jié)段S3、N3安裝31 768.6129 120.51-2 648.10-7.49-7.72-0.237節(jié)段S4、N4安裝35 606.5432 981.54-2 625.00-7.84-8.03-0.19

續(xù)表4 貓道改吊效應(yīng)對主纜中跨垂度及最大索力影響表施工階段編號施工階段最大索力/kN中跨跨中垂度/m考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)差值考慮貓道改吊效應(yīng)不考慮貓道改吊效應(yīng)差值8節(jié)段S5、N5安裝39 337.9736 728.82-2 609.15-7.98-8.11-0.129節(jié)段S6、N6安裝42 952.7740 361.35-2 591.42-8.06-8.12-0.0610節(jié)段S7、N7安裝46 460.7743 880.39-2 580.38-8.12-8.15-0.0311節(jié)段S8、N8安裝49 871.9547 299.61-2 572.34-8.20-8.21-0.0112節(jié)段S9、N9安裝53 195.4750 630.75-2 564.72-8.28-8.270.0113節(jié)段S10、N10安裝56 430.1353 871.97-2 558.16-8.36-8.340.0214節(jié)段S11、N11安裝59 577.1257 025.70-2 551.42-8.41-8.380.0315節(jié)段S12、N12安裝62 631.1760 086.93-2 544.24-8.43-8.400.0316節(jié)段S13、N13安裝65 584.8263 048.21-2 536.61-8.42-8.380.0417節(jié)段S14、N14安裝68 429.8065 901.13-2 528.67-8.38-8.340.0418節(jié)段S15、N15安裝71 157.9968 637.39-2 520.60-8.30-8.260.0519節(jié)段S16、N16安裝73 761.9471 249.37-2 512.57-8.20-8.150.0520節(jié)段S17、N17安裝76 238.4773 730.26-2 508.21-8.06-8.010.0521節(jié)段S18、N18安裝78 574.4476 077.25-2 497.19-7.92-7.850.0622節(jié)段S19、N19安裝80 768.1778 278.23-2 489.95-7.75-7.680.0723節(jié)段S20、N20安裝82 814.7280 331.65-2 483.07-7.58-7.500.0824節(jié)段S21、N21安裝84 709.3482 232.76-2 476.58-7.40-7.320.0825節(jié)段S22、N22安裝86 447.3183 976.83-2 470.48-7.21-7.120.0926節(jié)段S23、N23安裝88 023.7885 559.02-2 464.77-7.03-6.930.0927節(jié)段S24、N24安裝89 433.7386 974.26-2 459.46-6.85-6.750.1028節(jié)段S25、N25安裝90 671.7088 217.11-2 454.59-6.68-6.570.1029節(jié)段S26、N26安裝91 733.2789 283.23-2 450.03-6.51-6.400.1130節(jié)段S30、N30安裝92 608.8290 162.66-2 446.17-6.37-6.260.1131節(jié)段S29、N29安裝92 869.8690 399.86-2 470.01-6.30-6.180.1232節(jié)段S28、N28安裝92 935.3690 492.81-2 442.55-6.31-6.200.1233節(jié)段S27、N27安裝93 420.0890 976.59-2 443.50-6.23-6.110.1234成橋120 293.81117 936.58-2 357.23-7.58-7.460.12注:以空纜線形為基準(zhǔn),下?lián)蠟椤?”,上撓為“﹢”。

圖7 貓道改吊效應(yīng)對主纜最大索力影響曲線圖

圖8 貓道改吊效應(yīng)對主纜中跨垂度影響曲線圖

5 結(jié)論

本文借助Midas Civil軟件分析了貓道改吊對結(jié)構(gòu)施工過程中各橋塔主索鞍的預(yù)偏量、主纜最大索力和主纜中跨垂度的影響效應(yīng)，具體結(jié)論總結(jié)如下：

1)在貓道改吊效應(yīng)影響下，各施工階段的橋塔塔頂主索鞍預(yù)偏量呈減小趨勢，但幅度不大，實(shí)際工程可忽略。

2)在貓道改吊效應(yīng)影響下，主纜各施工階段最大索力也隨之增長，但增量呈逐漸減小趨勢，最大增量為2718.40kN，出現(xiàn)在主纜吊桿安裝施工階段。

3)在貓道改吊效應(yīng)影響下，隨著施工階段的推進(jìn)，主纜中跨垂度呈先減小后增大的趨勢，最大差值達(dá)0.28m，出現(xiàn)工況為節(jié)段S2、N2安裝。