盛琦根

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400074)

對于非對稱懸索橋，結(jié)構(gòu)受力時(shí)反應(yīng)不對稱，這在加勁梁吊裝過程中，體現(xiàn)出的最主要特點(diǎn)就是兩個(gè)主索鞍的預(yù)偏量不一致，滑移規(guī)律差別較大[1]，采用不同主梁吊裝順序時(shí)，不同方案之間的主纜線形差距、各個(gè)方案與成橋主纜線形差距都較大，為保證架梁過程中的臨時(shí)連接的受力安全，主塔塔頂偏移量合理、塔底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，有必要對非對稱懸索橋的主梁吊裝順序進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 工程概況

1.1 整體布置。重慶市江津區(qū)某在建長江大橋主橋?yàn)橹骺?90m，邊跨180m的兩跨鋼箱梁懸索橋，主纜跨徑為全橋梁段劃分見圖1，懸索橋在加勁梁架設(shè)的過程中，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的幾何非線性，主要體現(xiàn)在主塔塔頂位移、主纜變形上的突增，如果不加以控制，將會給上部結(jié)構(gòu)的施工帶來安全隱患，由于前期吊裝方案存在不足，因此需要修改吊梁方案。

圖1 全橋梁段示意圖

1.2 懸索橋鋼箱梁的吊裝。結(jié)構(gòu)線形主要是指主纜及鋼箱梁的線形。鋼箱梁線形主要取決于主纜線形，而主纜線形在這個(gè)階段的線形變化是與主梁吊裝架設(shè)順序緊密相關(guān)的[2]。

本文所述橋梁為兩跨非對稱結(jié)構(gòu)，前期所擬主梁吊裝方案在右邊跨合龍時(shí)存在岸處卷揚(yáng)機(jī)功率不足以拖動(dòng)非合龍節(jié)段主梁蕩移的問題，故需要在滿足主塔線形、應(yīng)力安全的情況下對架梁方案進(jìn)行修改優(yōu)化。

2 有限元模型分析

2.1 有限元模型建立。采用Midas Civil進(jìn)行有限元模型建立，根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)布置以及構(gòu)件尺寸，將其離散為495個(gè)節(jié)點(diǎn)、486個(gè)單元。（圖2）

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 主纜線形的驗(yàn)證。懸索橋與其他橋型相比最大的特點(diǎn)就是主要的承重結(jié)構(gòu)是主纜，包括恒載、活載作用都是由主纜來承受，所以成橋狀態(tài)的主纜線形非常重要，必須要與設(shè)計(jì)線形保持一致[3]，通過非線性迭代，得到初始平衡狀態(tài)，恒載作用下主纜的最大位移為-7.186 mm，發(fā)生在中跨1/4附近，中跨跨中的位移為1.886 mm，計(jì)算模型初始平衡狀態(tài)的精度滿足工程要求，迭代后得出的線形接近理想線形。

2.2.2 主纜無應(yīng)力長度驗(yàn)證。索鞍處的無應(yīng)力長度修正：在初始平衡狀態(tài)模型里面可以得到主纜的無應(yīng)力長度，但計(jì)算模型中得到的只是主纜理論交點(diǎn)之間的無應(yīng)力長度，在實(shí)際工程中主索鞍和散索鞍處的主纜是曲線，因此需要對這些位置的無應(yīng)力長度進(jìn)行修正[4]，單根主纜有61根索股，取位于主纜中心處的31號索股為例，對其進(jìn)行修正。

計(jì)算模型里面所提出的31號索股無應(yīng)力長度為1040.369 m，修正后的31號索股無應(yīng)力長度為1039.416 m，與設(shè)計(jì)文件相差0.182 m，誤差在可接受范圍內(nèi)。

綜上，通過成橋狀態(tài)下的主纜線形變化量以及主纜的無應(yīng)力長度，驗(yàn)證了所建立模型的正確性，從而可以將所建立模型作為施工階段分析的初始狀態(tài)，對加勁梁的吊裝順序展開研究。

3 鋼箱梁的吊裝順序優(yōu)化

大跨度懸索橋在主梁吊裝的過程中非線性特征明顯，主纜線形會產(chǎn)生較大變化，另外最顯著的特點(diǎn)便是主塔在兩側(cè)大荷載產(chǎn)生不平衡水平力作用下出現(xiàn)的偏位，隨之產(chǎn)生的也會是主塔根部的應(yīng)力，因此要制定合適的吊梁順序，以保證主塔頂部位移、根部應(yīng)力處于一個(gè)安全范圍。

3.1 鋼箱梁的優(yōu)化方案擬定思路。本文依托項(xiàng)目主跨右側(cè)多出一個(gè)邊跨，主跨合龍段設(shè)置在靠近主塔塔側(cè)的X20、D20；為保證有足夠的合龍空間，在進(jìn)行主跨合龍段吊裝前先將X21、D21向兩岸側(cè)蕩移以留出適當(dāng)空隙，再行合龍段，考慮到邊跨蕩移所需要的卷揚(yáng)機(jī)功率上限，將邊跨梁段整體以三個(gè)合龍段D22、D27、D32分割成三部分，先吊裝D22號梁段，吊裝D22前將右邊梁段通過岸側(cè)卷揚(yáng)機(jī)向岸蕩移，留出空間，再進(jìn)行D22吊裝，D27、D32按此方法依次進(jìn)行合龍；另外，邊跨段只能行走一臺纜載吊機(jī)，纜載吊機(jī)的來回行走必然磨損主纜鋼絲繩，所以還得考慮最大程度減少纜載吊機(jī)的重復(fù)行走里程。

具體吊梁方案如圖3：

圖3 吊梁順序步驟

3.2 主索鞍頂推方案。本文依托項(xiàng)目的頂推方案采用“小步快跑”的方式，前期左塔主索鞍預(yù)偏量為-88.7 cm，右塔主索鞍預(yù)偏量為82.4 cm，頂推時(shí)機(jī)以及頂推量如表1：

表1

通過擬定頂推方案，最終成橋（理論模型）狀態(tài)下，左塔位移為1.6 mm(向江側(cè)),右塔偏移量為-0.5 mm（向江側(cè)）。

3.3 吊梁過程中的主塔受力、位移情況

3.3.1 主塔應(yīng)力結(jié)果。由于主塔根部為受力最不利截面，因此選取主塔根部作為控制截面，吊梁的過程中，左塔如果不進(jìn)行頂推，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在岸側(cè)，最大拉應(yīng)力為0.4 Mpa，若采用上述頂推方案，則控制截面一直處于受壓狀態(tài)，受力情況較好，右塔在不頂推的情況下，最大拉應(yīng)力為0.4 Mpa，出現(xiàn)在靠岸側(cè)，采用頂推則可使根部截面一直受壓。

3.3.2 主塔位移結(jié)果，見圖4-5。

圖4 左塔塔頂位移

圖5 右塔塔頂位移

由上圖可知，在吊梁的過程中如不進(jìn)行頂推，左塔塔頂最大位移可達(dá)到86cm左右，右塔塔頂位移最大可達(dá)-80cm左右，顯然位移較大，不利于施工控制，而通過頂推可以將主塔塔頂偏移控制在20cm以內(nèi)。

4 結(jié)論

4.1 本文利用有限元軟件Midas Civil對依托工程進(jìn)行建模分析，通過主纜初始平衡狀態(tài)驗(yàn)證、主纜中心處的31號索股的無應(yīng)力長度與設(shè)計(jì)文件進(jìn)行對比，證明了所建模型的正確性。

4.2 在考慮現(xiàn)場實(shí)際施工情況下對原主梁吊裝方案進(jìn)行修改，將右邊跨劃分為三段，設(shè)置三個(gè)合龍段依次進(jìn)行合龍，并利用Midas Civil進(jìn)行吊梁過程中的主塔受力理論分析。

4.3 為保證主塔受力情況良好，本文針對吊梁順序設(shè)計(jì)出合理的頂推方案，通過理論模型分析了解到在該頂推方案下主塔根部控制截面施工過程中一直處于受壓狀態(tài)，且將主塔塔頂位移控制在20cm以內(nèi)，保證主梁吊裝過程中主塔處于可控狀態(tài)。

4.4 考慮到依托工程現(xiàn)場實(shí)際施工進(jìn)度，暫時(shí)無法得出主梁吊裝過程中的主塔應(yīng)力、位移實(shí)際情況，因此也暫時(shí)無法與由理論模型提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。