山區(qū)懸索橋鋼主梁施工新工藝研究與應(yīng)用

許紅勝， 彭東晗， 吳佳東， 顏東煌

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及西部山區(qū)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)，許多高速公路在山區(qū)峽谷中穿行。懸索橋以其跨越能力優(yōu)秀、傳力清晰、造型優(yōu)美、施工技術(shù)較為成熟，成為修建山區(qū)大跨徑橋梁時(shí)的首選橋型。但由于橋下峽谷基本沒(méi)有通航條件，道路崎嶇不平，加上高差巨大，山區(qū)懸索橋主梁無(wú)論是水平還是垂直運(yùn)輸都是一個(gè)難題[1-4]。因此，針對(duì)山區(qū)特殊地形環(huán)境對(duì)大跨度懸索橋加勁梁施工工藝進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新尤為必要。

目前國(guó)內(nèi)山區(qū)懸索橋主梁架設(shè)的主要方法有：環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的纜索吊法[5-7]，如湖北四渡河大橋；針對(duì)鋼桁梁或小跨度懸索橋以構(gòu)件形式吊裝的橋面吊機(jī)法[8-12]，如壩陵河大橋；通常用于引橋架設(shè)或合攏階段的頂推安裝法[13-15]。但目前現(xiàn)有的安裝辦法均存在施工成本高昂或工期冗長(zhǎng)等問(wèn)題[16-21]，不能很好地滿(mǎn)足現(xiàn)代懸索橋架設(shè)需求。本文依托峰林特大橋工程，提出一種利用水袋作為等代荷載的施工新工藝。利用有限元分析軟件模擬施工，評(píng)估其安全性，并與工程中實(shí)際安全性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

峰林特大橋是興義市環(huán)城高速公路上的控制性工程，為主跨550 m的單跨鋼混疊合梁地錨式懸索橋。懸索橋主纜中心距25.5 m，標(biāo)準(zhǔn)吊索間距11.4 m。橋加勁梁由鋼主梁、鋼橫梁、小縱梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，形成受力鋼梁體系，再通過(guò)剪力釘與砼橋面板結(jié)合形成鋼混疊合梁體系。主梁架設(shè)順序?yàn)閺倪吙绲娇缰幸来渭茉O(shè)，利用水袋配重等效代替各個(gè)主梁節(jié)段、橋面板、二期橋面鋪裝等恒載配重，主纜應(yīng)力時(shí)刻保持恒定，借助順橋方向移動(dòng)帶旋轉(zhuǎn)吊具的特殊吊機(jī)實(shí)現(xiàn)主梁和預(yù)制橋面板同步施工，得益于此，架設(shè)主梁時(shí)節(jié)段間可以小段剛接、大段鉸接，并緊接著完成預(yù)制橋面板裝配，橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置圖(單位： cm)

2 有限元模型及計(jì)算結(jié)果分析

為評(píng)估水袋等代配重措施產(chǎn)生的效果，針對(duì)峰林大橋優(yōu)化工藝中的主梁節(jié)段新工藝進(jìn)行了模擬施工并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。索塔塔柱及橫梁采用變截面梁?jiǎn)卧M。主梁采用梁、板單元模擬，預(yù)制板采用板單元模擬，在吊桿、主梁節(jié)段分界及支承處設(shè)置節(jié)點(diǎn)；主纜及吊索采用索單元模擬，以吊桿和索套為分割主纜節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的主纜采用懸連線(xiàn)索單元，全橋一共 262個(gè)索單元；散索鞍鞍座采用鉸接桿單元模擬，地錨用固定支撐；吊索與主纜通過(guò)共節(jié)點(diǎn)連接，模擬主纜與吊索之間的作用；通過(guò)剛臂模擬主纜與鞍座的切點(diǎn)，改變剛臂位置即可模擬切點(diǎn)的變化。

2.1 纜索系統(tǒng)分析結(jié)果

在利用橋面運(yùn)輸時(shí)，為保證主纜與吊索系統(tǒng)的受力安全，需要找到運(yùn)梁過(guò)程中的控制關(guān)鍵截面。經(jīng)分析，主纜控制截面為義龍邊跨 13#單元，吊索控制截面為95#單元，見(jiàn)圖2。因?yàn)?6#主梁架設(shè)后開(kāi)始逐步拆除懸掛在跨中的配重水袋，22#主梁架設(shè)后開(kāi)始合龍，所以選取16#梁段和22#梁段架設(shè)過(guò)程為代表進(jìn)行分析。

圖2 主纜吊索控制斷面圖

表1、表2為16#和22#主梁架設(shè)過(guò)程中主纜及吊索控制斷面最大內(nèi)力及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明：13#主纜單元在16#主梁和22#主梁架設(shè)過(guò)程中，最大內(nèi)力分別為126 409.5 kN和153 322.9 kN，最大應(yīng)力分別為454.6 MPa和516 MPa，遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，安全系數(shù)達(dá)3.374；95#吊索單元在16#主梁和22#主梁架設(shè)過(guò)程中的最大內(nèi)力分別為3 062.68 kN和 3 344.4 kN，最大應(yīng)力分別為516.5 MPa和564 MPa，遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，安全系數(shù)達(dá)3.298。

表1 16#主梁架設(shè)過(guò)程主纜和吊索控制斷面最大受力控制斷面最大內(nèi)力/kN最大應(yīng)力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa安全系數(shù)13#主纜單元126 409.5454.61 8604.0995#吊索單元3 062.68516.51 8603.6

表2 22#主梁架設(shè)過(guò)程主纜和吊索控制斷面最大受力控制斷面最大內(nèi)力/kN最大應(yīng)力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa安全系數(shù)13#主纜單元153 322.9551.31 8603.37495#吊索單元3 344.45641 8603.298

2.2 主梁變形分析結(jié)果

主梁變形分析過(guò)程主要分為3#～16#梁段架設(shè)、16#梁段架設(shè)完成、22#梁段架設(shè)完成3個(gè)時(shí)期。圖3為各主梁架設(shè)變形結(jié)果。在主梁安裝過(guò)程中，運(yùn)梁施工荷載移動(dòng)至鉸接處時(shí)，鉸接處的位移最大。在16#主梁架設(shè)前最大位移為0.36 m；架設(shè)16#梁段時(shí)最大位移為0.33 m；架設(shè)22#梁段時(shí)最大位移為0.31 m。從分析結(jié)果可以看出，運(yùn)梁時(shí)經(jīng)過(guò)鉸接處的最大位移、局部坡度和局部最大坡度差均較小，且隨著梁段的不斷架設(shè)，最大位移、局部坡度和局部最大坡度差呈減小趨勢(shì)，并不會(huì)對(duì)運(yùn)梁的平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

a) 3#～16#梁段架設(shè)時(shí)主梁變形情況 b) 16#梁段架設(shè)時(shí)各鉸變形情況 c) 22#梁段架設(shè)時(shí)各鉸變形情況

2.3 主梁應(yīng)力分析結(jié)果

鋼梁格構(gòu)件應(yīng)力云圖及運(yùn)梁過(guò)程鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖4、表3。運(yùn)梁過(guò)程中，鋼梁節(jié)段的橫梁最大應(yīng)力為 96.8 MPa ，臨時(shí)連接件和主梁連接部位應(yīng)力為 122.2 MPa，遠(yuǎn)小于Q370Q鋼材的屈服強(qiáng)度370 MPa，安全性能夠得到保障。計(jì)算結(jié)果表明：峰林特大橋主梁架設(shè)新方案，鋼梁節(jié)段從跨邊向跨中運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中：主纜和吊桿的最大應(yīng)力分別為516 MPa和564 MPa，小于其1860 MPa的抗拉強(qiáng)度，滿(mǎn)足安全性要求；已安裝鋼梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接件上，為122.2 MPa，滿(mǎn)足安全性要求；已安裝鋼梁節(jié)段中局部最大坡度為1.05，變形較小，不會(huì)對(duì)運(yùn)梁的平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

a)鋼梁主梁節(jié)段內(nèi)力圖[單位： (N·m)]

b)鋼梁邊縱梁應(yīng)力云圖(單位： MPa)

c)鋼梁橫梁、小縱梁應(yīng)力云圖(單位： MPa)

d)臨時(shí)連接裝置最大應(yīng)力(單位： MPa)

表3 運(yùn)梁過(guò)程鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果主梁最大應(yīng)力/MPa橫梁最大應(yīng)力/MPa小縱梁最大應(yīng)力/MPa連接件最大應(yīng)力/MPa最大開(kāi)口距離/m53.296.867.3122.20.043

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)布置主梁節(jié)段應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和鉸接位置位移測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖5。

圖5 主梁節(jié)段應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和鉸接位置位移測(cè)點(diǎn)

將實(shí)測(cè)應(yīng)力及變形情況與仿真分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得主梁節(jié)段應(yīng)力對(duì)比如表4所示，運(yùn)梁過(guò)程中鉸接處位移變形情況如表5所示。對(duì)比結(jié)果表明，主梁、橫梁、小縱梁及連接梁的最大應(yīng)力分別為48.3、76.2、45.7、105.6 MPa，與有限元軟件分析得到的計(jì)算值吻合，均未超出材料的拉伸屈服應(yīng)力值，且應(yīng)力儲(chǔ)備余量大、安全系數(shù)高，構(gòu)件滿(mǎn)足安全性要求，驗(yàn)證了主梁在新工藝運(yùn)梁過(guò)程中的安全性；運(yùn)梁過(guò)程中最大位移出現(xiàn)在鉸7處，為0.31 m，數(shù)值較小。

表4 主梁節(jié)段應(yīng)力對(duì)比MPa主梁最大應(yīng)力橫梁最大應(yīng)力小縱梁最大應(yīng)力連接件最大應(yīng)力實(shí)測(cè)理論實(shí)測(cè)理論實(shí)測(cè)理論實(shí)測(cè)理論48.353.276.296.845.767.3105.6122.2

表5 運(yùn)梁過(guò)程鉸接處位移情況m測(cè)量位置鉸3鉸4鉸5鉸6鉸722#前端最大位移0.260.290.280.290.310.33

4 結(jié)語(yǔ)

新工藝?yán)盟M(jìn)行主纜的配重加載，采用有限元分析軟件進(jìn)行施工模擬，得出以下結(jié)論：

1) 主纜最大應(yīng)力為551.3 MPa，吊桿最大應(yīng)力為551.3 MPa，臨時(shí)安裝主梁的最大應(yīng)力為96.8 MPa，鉸接構(gòu)件最大應(yīng)力為122.2 MPa，安全性良好。

2) 加勁梁臨時(shí)鉸接處的最大位移為0.36 m，局部最大坡度為1.05，局部最大坡度差為1.33。運(yùn)梁時(shí)經(jīng)過(guò)鉸接處的相對(duì)位移、局部坡度和局部最大坡度差均較小，不會(huì)對(duì)運(yùn)梁的平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。

3) 后續(xù)施工安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:新工藝實(shí)施過(guò)程中主梁最大應(yīng)力為76.2 MPa，鉸接處構(gòu)件最大應(yīng)力為105.6 MPa，確定了仿真分析的合理性和施工新工藝的可行性。