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        公軌兩用鋼桁梁懸索橋加勁梁架設(shè)方案探討

        2017-01-06 08:06:00劉孝輝蘇小波
        公路交通技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:方法施工

        劉孝輝,蘇小波

        (招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

        公軌兩用鋼桁梁懸索橋加勁梁架設(shè)方案探討

        劉孝輝,蘇小波

        (招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

        結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn),基于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)理論,對(duì)重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋主梁安裝提出多種比較方案。通過(guò)對(duì)施工階段弦桿、吊桿的內(nèi)力及應(yīng)力規(guī)律的比較,以及對(duì)臨時(shí)鉸合龍措施的探討,研究各方案的優(yōu)劣性,并結(jié)合技術(shù)難度、施工周期、施工成本等因素,對(duì)該橋施工方案提出合理化建議。

        無(wú)應(yīng)力狀態(tài);鋼桁梁懸索橋;施工方案;受力特點(diǎn)

        鋼桁梁懸索橋主梁剛度大,抗扭及抗風(fēng)穩(wěn)定性較好,且加勁梁可設(shè)計(jì)為雙層橋面,故在大跨度鐵路或公軌(鐵)共建橋梁結(jié)構(gòu)中極具競(jìng)爭(zhēng)力[1]。該類(lèi)橋梁桿件數(shù)量多、2期恒載重量大,施工措施較鋼箱梁懸索橋更為繁瑣和復(fù)雜。由于軌道交通對(duì)梁端轉(zhuǎn)角有嚴(yán)格的剛度要求,主梁一般都設(shè)計(jì)為連續(xù)結(jié)構(gòu)[2],故主塔支座截面受力的復(fù)雜性是該類(lèi)橋型的另一特點(diǎn)。另外,目前公軌(鐵)兩用鋼桁梁懸索橋在世界范圍內(nèi)并不多見(jiàn),對(duì)加勁梁安裝方法的研究也遠(yuǎn)不如鋼箱梁懸索橋成熟,因此,本文以重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?,研究加勁梁不同安裝方法的優(yōu)劣性,為類(lèi)似工程提供參考。

        1 工程概況

        重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋是一座公軌兩用鋼桁梁懸索橋,跨徑布置為75 m+720 m+75 m。該橋?yàn)殡p層橋面布置,上層為8車(chē)道城市快速路,下層為雙線(xiàn)軌道交通,上、下層橋面均為正交異性板鋼橋面;主梁桁高12.5 m,節(jié)間長(zhǎng)度15 m,采用帶斜撐的三角形桁架形式,材料為Q345鋼材;主纜矢跨比為1/9,采用PPWS-135-127高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲,抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa,單根鋼絲直徑為5.25 mm。該橋上、下層橋面2期恒載共計(jì)17 t/m,橋型布置如圖1所示。

        2 架設(shè)方案比較

        筆者對(duì)已建成的公鐵兩用懸索橋施工方法進(jìn)行了調(diào)研和匯總,見(jiàn)表1[3]。從表1可知,日本在本州—四國(guó)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上修建了多座公鐵兩用懸索橋,除大鳴門(mén)橋外,所有橋梁均利用橋面吊機(jī)+浮吊,從橋塔往跨中方向逐段剛接加勁梁。但研究表明,受主纜大變形的影響,桁架和吊索的施工應(yīng)力較高,可能會(huì)超過(guò)規(guī)范限值。雖然日本采用所謂“三點(diǎn)調(diào)索牽引法[4-5]”,通過(guò)將前端吊索拉力分散到后面2根吊索上,滯后2節(jié)段張拉的方法來(lái)解決這一問(wèn)題,但筆者認(rèn)為該方法缺點(diǎn)也很明顯:需要多組調(diào)索設(shè)備,施工過(guò)程繁瑣,工期較長(zhǎng)。葡萄牙的4月25日橋和香港地區(qū)的青馬大橋均采用逐段鉸接法施工,但也存在臨時(shí)桿件用量大、合龍節(jié)點(diǎn)多、等代壓重成本高等問(wèn)題,也會(huì)對(duì)施工過(guò)程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性和作業(yè)安全性產(chǎn)生隱患。重慶郭家沱大橋跨越長(zhǎng)江,橋位處航道寬闊,水、陸交通均較為便利,施工方法和架設(shè)順序均不受限制,具備整節(jié)段吊裝的外部條件。因此,如何利用現(xiàn)有條件選擇合理、高效、經(jīng)濟(jì)的施工方法,需進(jìn)一步深入探討。

        圖1 重慶郭家沱大橋橋型布置

        表1 已建成公鐵兩用懸索橋架設(shè)方法匯總

        目前,我國(guó)已建成數(shù)座公路鋼桁梁懸索橋,其主梁施工方法大致可分為3類(lèi):剛接法、鉸接法和剛鉸混合法[5]。與表1架設(shè)方法相比較,剛鉸混合法的提出是一種突破,因?yàn)?,無(wú)論采用何種施工方法,最終目的仍達(dá)到合理成橋狀態(tài)。經(jīng)過(guò)調(diào)索,重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋主梁的豎向位移和吊桿內(nèi)力分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看出,其主跨豎向位移基本為零,邊跨為連續(xù)梁,跨中最大撓度8 cm。從圖3可以看出,除邊吊桿索力略大外,中間吊桿內(nèi)力均勻,故可將此狀態(tài)視為合理成橋狀態(tài)。

        圖2 成橋狀態(tài)下主梁豎向位移

        圖3 成橋狀態(tài)下吊桿內(nèi)力

        基于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)理論,在施工階段,主纜、吊桿和主桁桿件均采用無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度進(jìn)行安裝,且無(wú)論采用何種施工方法,成橋狀態(tài)均唯一[6]。依據(jù)該理論,結(jié)合公路鋼桁梁懸索橋的既有工程經(jīng)驗(yàn)[7],對(duì)郭家沱大橋提出了3種加勁梁安裝方案,見(jiàn)表2。

        2.1 對(duì)內(nèi)力的影響

        3種施工方案施工階段上弦桿的軸力包絡(luò)曲線(xiàn)如圖4所示。從圖4可以看出,采用散拼法施工,上弦桿最大壓力為1 745 t,發(fā)生在1/4跨處,最大拉力在主塔支座處出現(xiàn)峰值,達(dá)到1835t,隨后迅速回落,再逐漸增加;采用逐段剛接法施工,對(duì)上弦桿產(chǎn)生的拉、壓效應(yīng)基本相同,最大均約為1 500 t,且均發(fā)生在主跨跨中位置;采用剛鉸混合法施工能極大降低上弦桿跨中部位的壓力,最大值僅為750 t,降幅達(dá)50%,但施工過(guò)程中對(duì)上弦桿的拉力基本沒(méi)有影響。

        表2 3種加勁梁安裝方案一覽

        圖4 施工階段上弦桿軸力包絡(luò)曲線(xiàn)

        施工階段下弦桿軸力包絡(luò)曲線(xiàn)如圖5所示,其規(guī)律與上弦桿基本相反。采用散拼法施工,下弦桿以受拉為主,最大拉力2 235 t,發(fā)生在主墩支座位置,下弦桿最大壓力同樣發(fā)生在此處,數(shù)值可達(dá)1 500 t,其余部位迅速降低;采用逐段剛接法施工,下弦桿最大拉力1 540 t,發(fā)生在主跨跨中截面,桿件壓力則均在670 t以下;采用剛鉸混合法施工,跨中增設(shè)臨時(shí)鉸,同樣能有效降低下弦桿跨中區(qū)域的軸向拉力,最大可降低至250 t,降幅達(dá)84%,但對(duì)支座處的最大軸力基本沒(méi)有改善。

        圖5 施工階段下弦桿軸力包絡(luò)曲線(xiàn)

        主梁吊裝階段3種方案下單根吊索軸力包絡(luò)曲線(xiàn)如圖6所示。從圖6可以看出,采用散拼法和逐段剛接法施工時(shí),吊桿內(nèi)力分布曲線(xiàn)均在1/4跨附近出現(xiàn)嚴(yán)重“鼓包”,施工階段最大單根吊桿力分別達(dá)到790和750 t,遠(yuǎn)大于最大節(jié)段自重450 t;采用剛鉸混合法施工則能極大緩解吊桿軸力包絡(luò)曲線(xiàn)的“鼓包現(xiàn)象”,最大吊桿力降至330 t,降幅達(dá)56%,采用該方法,施工過(guò)程中最大吊桿力的分布也基本均勻。此外,剛鉸混合法模型僅在跨中區(qū)段設(shè)置了2對(duì)臨時(shí)鉸,從而進(jìn)一步說(shuō)明臨時(shí)鉸對(duì)改善施工階段吊桿內(nèi)力具有顯著效果。

        圖6 主梁吊裝階段吊桿軸力包絡(luò)曲線(xiàn)

        2.2 對(duì)應(yīng)力的影響

        3種施工方案在施工階段其上、下弦桿的應(yīng)力包絡(luò)曲線(xiàn)分別如圖7和圖8所示。從圖7、圖8可以看出,施工過(guò)程中采用散拼法施工,上弦桿最大弦桿應(yīng)力均發(fā)生在支座位置。采用散拼法,上弦桿最大拉、壓應(yīng)力分別為245 MPa和-267 MPa,明顯高于其余二者;采用剛鉸混合法施工則可將該值分別降至122 MPa和-183 MPa,主跨區(qū)域桿件應(yīng)力則降至100 MPa以下。下弦桿的規(guī)律同樣如此:采用散拼法施工,下弦桿最大拉、壓應(yīng)力分別為187 MPa和-203 MPa;采用剛鉸混合法施工則可使施工階段下弦桿的應(yīng)力水平大幅降低。

        除開(kāi)支座位置,3種方案最大應(yīng)力發(fā)生位置也不相同。采用散拼法施工,在1/4跨位置達(dá)到應(yīng)力峰值,包絡(luò)曲線(xiàn)形成“鼓包”,下弦桿尤為明顯;采用逐段剛接法施工,最大應(yīng)力發(fā)生在跨中位置;采用剛鉸混合法施工,應(yīng)力包絡(luò)曲線(xiàn)則相對(duì)比較均勻。除了采用散拼法施工在支座位置弦桿應(yīng)力超標(biāo)外,其余2種工法施工階段應(yīng)力均在規(guī)范限值以?xún)?nèi)。

        圖7 施工階段上弦桿應(yīng)力包絡(luò)曲線(xiàn)

        圖8 施工階段下弦桿應(yīng)力包絡(luò)曲線(xiàn)

        2.3 合龍措施探討

        從以上分析可以看出,剛鉸混合法與另外2種施工方法相比,能有效降低弦桿內(nèi)力和應(yīng)力,同時(shí)也可使施工階段最大吊桿力趨于均勻,但代價(jià)是合龍口增多,合龍措施相應(yīng)繁瑣。必須指出的是,3種方法均存在主梁無(wú)應(yīng)力合龍問(wèn)題,此3種方法的合龍措施并無(wú)優(yōu)劣,在此不作詳細(xì)比較。就3種方法而言,剛鉸混合法較另外2種增設(shè)了臨時(shí)鉸,故全橋合龍前,必須首先實(shí)現(xiàn)臨時(shí)鉸的無(wú)應(yīng)力合龍,為此,本文探討臨時(shí)鉸合龍的技術(shù)措施及可行性。

        主跨合龍前結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)(放大10倍)如圖9所示。從圖9可以看出,受主纜線(xiàn)形未穩(wěn)定的影響,主梁呈明顯上拱現(xiàn)象,臨時(shí)鉸處下弦桿之間的間隙必然不等于弦桿的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。常規(guī)做法是采用壓重或千斤頂輔助調(diào)整合龍口間隙,以實(shí)現(xiàn)下弦桿的無(wú)應(yīng)力安裝。利用影響矩陣法進(jìn)行計(jì)算,可得到實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力合龍的具體措施,如圖10所示。從圖10可以看出,在下弦桿利用千斤頂對(duì)頂,頂升力為530 t,并輔以壓重措施(單點(diǎn)壓重220 t),即可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)鉸合龍口的無(wú)應(yīng)力合龍。臨時(shí)鉸調(diào)整前后合龍口間隙如圖11所示。

        圖9 主跨合龍前結(jié)構(gòu)位移(放大10倍)

        圖10 臨時(shí)鉸無(wú)應(yīng)力合龍措施

        計(jì)算表明,在無(wú)應(yīng)力措施施加前,合龍口的豎向位移差為79 mm,水平位移差為75 mm;采用合龍調(diào)整后,豎向和水平向位移差分別降至0.9和1.4 mm,基本具備無(wú)應(yīng)力合龍條件;合龍措施利用現(xiàn)有常規(guī)設(shè)備也較易實(shí)現(xiàn),成本不高。當(dāng)然,無(wú)應(yīng)力合龍措施有很多種,具體實(shí)施并不局限于上述計(jì)算成果。

        圖11 臨時(shí)鉸調(diào)整前后合龍口位移(局部)

        綜上所述,本文對(duì)以上 3種施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行如下概括:與另外2種方法相比,剛鉸混合法能顯著降低施工過(guò)程中桿件和吊桿的應(yīng)力,且施工周期短,安裝精度高??紤]到水運(yùn)條件及臨時(shí)鉸的無(wú)應(yīng)力合龍措施及成本,推薦采用剛鉸混合法,其更具優(yōu)勢(shì)。3種施工方案優(yōu)缺點(diǎn)概述見(jiàn)表3。

        表3 3種施工方案優(yōu)缺點(diǎn)概述

        3 結(jié)論

        與鋼箱梁懸索橋不同,鋼桁梁懸索橋加勁梁剛度大,在施工方案的選擇上也具有更大空間。由于實(shí)際工程范例少,目前對(duì)公軌(鐵)兩用連續(xù)鋼桁梁懸索橋施工方法的研究遠(yuǎn)不及鋼箱梁般深入和徹底。本文以重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?,?duì)可能實(shí)施的3種施工方案進(jìn)行了初步分析,并得到以下結(jié)論:

        1) 若采用橋面吊機(jī)散拼法施工主梁則會(huì)致使支座位置的弦桿內(nèi)力出現(xiàn)“尖點(diǎn)”,應(yīng)力水平超過(guò)規(guī)范限值;若采用逐段剛接法施工,則主墩支座附近桿件的應(yīng)力水平次之;若采用剛鉸混合法施工,則上、下弦桿的內(nèi)力和應(yīng)力均最均勻。

        2) 采用散拼法和逐段剛接法施工,均會(huì)導(dǎo)致施工階段吊桿內(nèi)力在1/4跨附近出現(xiàn)嚴(yán)重“鼓包”,采用剛鉸混合法則可大幅降低施工階段吊桿內(nèi)力,使之基本均勻分布。

        3) 增設(shè)臨時(shí)鉸的數(shù)量可使施工階段桿件內(nèi)力更加均勻,但會(huì)增加構(gòu)造及施工措施的復(fù)雜性,故臨時(shí)鉸的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮,重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋以2對(duì)為宜。

        4) 臨時(shí)鉸的無(wú)應(yīng)力合龍措施簡(jiǎn)單可行、技術(shù)成熟、成本合理,考慮到對(duì)弦桿及吊桿應(yīng)力的改善效果,在航運(yùn)條件具備的前提下,推薦將剛鉸混合法作為連續(xù)鋼桁梁懸索橋加勁梁的施工方法。

        [1]蔡憲堂.大跨度鐵路懸索橋剛度研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

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        [3]劉吉晗.大跨度鐵路懸索橋加勁梁施工方法研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

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        [5]凌勝春.山區(qū)大跨度懸索橋鋼桁加勁梁架設(shè)方法研究[J].城市道橋與防洪,2014(7):294-296.

        [6]姚 進(jìn),莊值政,張鳳凰.山區(qū)懸索橋鋼桁架加勁梁安裝技術(shù)[J].公路,2013(7):82-86.

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