朱紅明， 程海潛，李清, 宗偉, 閆勇

(1．湖北省路橋集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430056；2．湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院； 3.西南交通大學(xué))

隨著地錨式懸索橋跨度的不斷增加，懸索橋加勁梁的剛度及自重也越來(lái)越大，在主梁架設(shè)過(guò)程中節(jié)段之間的臨時(shí)連接可以采取全鉸接法、全剛接法和剛鉸結(jié)合法3種連接方法。3種方法中鉸接法雖然架設(shè)過(guò)程中吊索和主桁各類桿件的應(yīng)力比較小，但施工安全性相對(duì)較差；而剛接法在施工過(guò)程中加勁梁便開(kāi)始參與結(jié)構(gòu)的受力，雖然施工安全性相對(duì)較好，但有可能產(chǎn)生較大的應(yīng)力,該應(yīng)力有可能超過(guò)其極限承載應(yīng)力。剛鉸結(jié)合法就是將剛接法與鉸接法聯(lián)合使用的一種施工方法。傳統(tǒng)的鉸固轉(zhuǎn)換工序存在一定的缺陷，剛鉸結(jié)合需要待橋面板和橋面鋪裝等代荷載就位后再進(jìn)行鉸固轉(zhuǎn)換，或直接進(jìn)行鉸固轉(zhuǎn)換，臨時(shí)鉸接處的鉸固轉(zhuǎn)換均需單獨(dú)占用關(guān)鍵工期，施工效率較低。

白洋長(zhǎng)江公路大橋?yàn)殡p塔鋼桁梁懸索橋，主跨為1 000 m，采用傳統(tǒng)的加勁梁連接工法難以滿足工程施工要求。基于此，該文基于傳統(tǒng)的剛鉸結(jié)合法提出主梁節(jié)段臨時(shí)連接的窗口鉸接法。該方法作為一種較好的剛鉸轉(zhuǎn)換技術(shù)能較好地解決上述問(wèn)題。

1 窗口鉸接法的基本原理與實(shí)施步驟

1.1 窗口鉸接法的基本原理

窗口鉸接法是對(duì)加勁梁架設(shè)、橋面系鋪設(shè)階段進(jìn)行分析，采用橋梁結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算軟件對(duì)主梁鉸接口的設(shè)置及鉸固轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)，計(jì)算荷載需考慮跨纜吊機(jī)自重荷載與起吊荷載，對(duì)所有設(shè)置的臨時(shí)鉸接口施工中的變化規(guī)律進(jìn)行分析，根據(jù)每個(gè)鉸接口在施工階段出現(xiàn)的無(wú)應(yīng)力拼裝機(jī)會(huì)，綜合架梁、橋面系鋪設(shè)施工的全過(guò)程分析選擇最佳轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)鉸接口的無(wú)應(yīng)力鉸固轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 窗口鉸接法的原理示意圖

窗口鉸接法的關(guān)鍵在于臨時(shí)鉸位置的設(shè)置與剛鉸轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)的確定。

(1) 臨時(shí)鉸位置的設(shè)置

臨時(shí)鉸位置的設(shè)置有兩大控制因素：起吊荷載與弦桿應(yīng)力。起吊荷載即加勁梁運(yùn)輸?shù)轿慌c已安裝完梁段進(jìn)行連接后，起吊剛完成安裝的梁段使與永久吊索進(jìn)行連接所需要的起吊荷載，由跨纜吊機(jī)提供；弦桿應(yīng)力即施工全過(guò)程中，弦桿應(yīng)力不出現(xiàn)超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的應(yīng)力。通常以滿足兩大控制因素作為設(shè)鉸依據(jù)，首先綜合考慮加勁梁吊裝順序等因素，然后采用有限元軟件進(jìn)行大量的理論計(jì)算模型分析，最后確定臨時(shí)鉸的數(shù)量和位置：

① 首先采用剛接法對(duì)懸索橋進(jìn)行施工過(guò)程分析，按照梁段架設(shè)的順序進(jìn)行逐步查看，當(dāng)加勁梁安裝至某梁段時(shí)吊索力或者鋼桁架力接近控制應(yīng)力，則在此梁段的前端設(shè)置臨時(shí)鉸。

② 在步驟①處的位置設(shè)置臨時(shí)鉸后，繼續(xù)按照梁段架設(shè)的順序進(jìn)行逐步查看，當(dāng)加勁梁安裝至某梁段時(shí)吊索力或者鋼桁架力接近控制應(yīng)力，則在此梁段的前端設(shè)置臨時(shí)鉸。

③ 重復(fù)上述步驟設(shè)置臨時(shí)鉸，直至整個(gè)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)內(nèi)力都在容許值之內(nèi)，則全橋所設(shè)置的臨時(shí)鉸數(shù)量及其位置便可以確定下來(lái)。

(2) 臨時(shí)鉸的鉸剛轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)

臨時(shí)鉸的鉸剛轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)需考慮溫度、臨時(shí)荷載等其他具體條件，此處的計(jì)算分析是基于設(shè)計(jì)溫度及橋面無(wú)臨時(shí)荷載等條件。為避免同一施工階段出現(xiàn)多處臨時(shí)鉸鉸固轉(zhuǎn)換而影響施工進(jìn)度，鉸固轉(zhuǎn)換方案中應(yīng)考慮鉸接口的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)不能過(guò)于集中。通過(guò)采用橋梁結(jié)構(gòu)非線性軟件計(jì)算對(duì)鉸固轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)，計(jì)算荷載考慮了跨纜吊機(jī)自重荷載與起吊荷載，對(duì)所有設(shè)置的臨時(shí)鉸接口施工中的變化規(guī)律進(jìn)行分析，根據(jù)每個(gè)鉸接口在施工階段出現(xiàn)的無(wú)應(yīng)力拼裝機(jī)會(huì)，綜合架梁、橋面系鋪設(shè)施工的全過(guò)程分析選擇最佳轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)鉸接口的無(wú)應(yīng)力鉸固轉(zhuǎn)換。

該方法的要點(diǎn)為加勁梁吊裝、橋面系鋪設(shè)與加勁梁鉸固轉(zhuǎn)換同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)加勁梁、橋面系施工及臨時(shí)鉸固結(jié)階段空間立體多作業(yè)面施工，在橋面系鋪設(shè)完成前盡可能多地完成加勁梁臨時(shí)鉸體系轉(zhuǎn)換。因此，該方案避免了全鉸接方案中后期集中鉸固轉(zhuǎn)換時(shí)所占用的關(guān)鍵施工工期，提高了施工作業(yè)效率，同時(shí)節(jié)約了體系轉(zhuǎn)換配重方式所需要的配重材料、施工設(shè)備和人力資源。由此可見(jiàn)，在懸索橋的加勁梁中采用窗口鉸接法施工能有效地縮短工期與提高工程質(zhì)量。

1.2 窗口鉸接法的關(guān)鍵實(shí)施步驟

(1) 根據(jù)施工過(guò)程計(jì)算確定的鉸接口，決定起吊梁段與已吊裝梁段選擇剛接或者鉸接(圖2)。

圖2 鋼桁梁剛接與鉸接口的設(shè)置

(2) 根據(jù)其全過(guò)程計(jì)算確定的鉸接梁段出現(xiàn)剛接時(shí)機(jī)，此時(shí)進(jìn)行鉸固轉(zhuǎn)換。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

白洋長(zhǎng)江公路大橋?yàn)橹骺? 000 m雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，組合梁橋面系，主纜矢跨比為1/9，北岸邊纜跨度為276 m，南岸邊纜跨度為269 m(圖3)。組合梁橋面系為支撐于鋼桁梁橫梁上弦桿頂面的多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，支點(diǎn)處設(shè)板式橡膠支座。

圖3 橋型布置圖(單位：m)

鋼桁加勁梁由主桁架、橫向桁架及上、下平聯(lián)組成。主桁采用華倫式桁架，橫向共2片主桁，中心間距為36 m，桁高為7.5 m，全橋主桁共劃分為35個(gè)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段節(jié)間長(zhǎng)7.5 m，2個(gè)節(jié)間(15 m)設(shè)一吊索吊點(diǎn)，4個(gè)節(jié)間作為一節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊裝長(zhǎng)度30 m；端部節(jié)段節(jié)間長(zhǎng)6 m，吊裝長(zhǎng)度15.26 m；跨中節(jié)段吊裝長(zhǎng)度為10.58 m。主桁采用焊接整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，由主桁上弦桿、主桁下弦桿及主桁腹桿組成。主桁上、下弦桿均采用箱形截面，內(nèi)高660 mm，內(nèi)寬660 mm，板厚20 mm，節(jié)點(diǎn)處加厚至28 mm；主桁腹桿均采用工字形截面，全橋主桁豎腹桿及斜腹桿均各自采用統(tǒng)一規(guī)格，僅根據(jù)計(jì)算結(jié)果在端部節(jié)段局部加厚。

2.2 臨時(shí)鉸的設(shè)置方案

2.2.1 控制因素

通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算軟件對(duì)白洋長(zhǎng)江公路大橋鉸接口的設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，臨時(shí)鉸的設(shè)置有兩大控制因素：起吊荷載與弦桿應(yīng)力。

吊梁施工計(jì)算整體有限元模型：主纜用只受拉懸索單元模擬，吊索用只受拉桿單元模擬，橋塔、索鞍、加勁梁采用梁?jiǎn)卧M?？紤]施工過(guò)程中貓道改吊、纜載吊機(jī)行走等因素。

2.2.2 起吊荷載處理

根據(jù)纜載吊機(jī)的起吊能力(極限起吊荷載為500 t)，加勁梁安裝起吊荷載暫定為480 t。有限元計(jì)算模擬該起吊荷載，即加勁梁運(yùn)輸?shù)轿慌c已安裝梁段進(jìn)行連接后，使用450 t(扣除30 t吊具重量)節(jié)點(diǎn)荷載加載剛完成安裝的梁段使其與永久吊索進(jìn)行連接，起吊荷載示意如圖4所示。

圖4 起吊荷載示意圖

考慮到單幅加勁梁臨時(shí)吊點(diǎn)有兩處，現(xiàn)需要明確450 t纜載吊機(jī)起吊荷載在吊點(diǎn)處的分配比例，從而通過(guò)節(jié)點(diǎn)荷載準(zhǔn)確模擬纜載吊機(jī)的抬升作用(圖5)。根據(jù)吊機(jī)在梁段重心位置進(jìn)行起吊的情況，現(xiàn)通過(guò)有限元模擬纜載吊機(jī)起吊標(biāo)準(zhǔn)梁段與吊索相連，鋼絞線張拉力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 起吊荷載比例分配

圖5 纜載吊機(jī)抬升前端梁段示意圖

2.2.3 設(shè)置方案

通過(guò)有限元軟件，以滿足兩大控制因素作為設(shè)鉸依據(jù)，在綜合考慮加勁梁吊裝順序等因素后，進(jìn)行了大量的理論計(jì)算模型分析，在吊索應(yīng)力和纜載吊機(jī)起吊能力均滿足要求的前提下保證加勁梁弦桿應(yīng)力。最終采用全橋初步設(shè)置15組臨時(shí)鉸的鉸接方案，15組鉸在后續(xù)加勁梁段架設(shè)及橋面系鋪設(shè)過(guò)程中完成鉸固轉(zhuǎn)換。臨時(shí)鉸編號(hào)如圖6所示。

圖6 臨時(shí)鉸設(shè)置示意圖(黑圈代表臨時(shí)鉸接位置)

2.3 剛接時(shí)機(jī)的確定

在臨時(shí)鉸位置確定之后，便需要考慮臨時(shí)鉸剛接的時(shí)機(jī)。鉸接口剛接時(shí)機(jī)要考慮的因素有溫度及臨時(shí)荷載等具體條件。白洋長(zhǎng)江大橋的計(jì)算分析是基于設(shè)計(jì)溫度及橋面無(wú)臨時(shí)荷載等條件。剛接時(shí)機(jī)與加勁梁吊裝、橋面系鋪設(shè)與加勁梁鉸固轉(zhuǎn)換同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)加勁梁、橋面系施工及臨時(shí)鉸固結(jié)階段空間立體多作業(yè)面施工并在橋面系鋪設(shè)完成前盡可能多地完成加勁梁臨時(shí)鉸體系轉(zhuǎn)換。通過(guò)結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算軟件 BNLAS 對(duì)白洋長(zhǎng)江大橋鉸接口的設(shè)置及鉸固轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)，計(jì)算荷載考慮了跨纜吊機(jī)自重荷載與起吊荷載，對(duì)所有臨時(shí)鉸接口施工中的變化規(guī)律進(jìn)行分析，根據(jù)每個(gè)鉸接口在施工階段出現(xiàn)的無(wú)應(yīng)力拼裝機(jī)會(huì)，綜合架梁、橋面系鋪設(shè)施工全過(guò)程分析選擇最佳轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)鉸接口的無(wú)應(yīng)力鉸固轉(zhuǎn)換。

白洋長(zhǎng)江公路大橋的具體鉸接口轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)的推薦順序如表2所示。

表2 白洋長(zhǎng)江公路大橋臨時(shí)鉸剛接時(shí)機(jī)

2.4 加勁梁施工過(guò)程中主要構(gòu)件應(yīng)力

在加勁梁拼裝及橋面系施工過(guò)程中，加勁梁桿件及吊索的應(yīng)力一直隨施工而變化，由于采用窗口鉸接法，通過(guò)合理設(shè)置鉸接口和鉸接口的剛接時(shí)機(jī)，將加勁梁桿件及吊索的應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)允許的合理范圍內(nèi)。表3為采用15組臨時(shí)鉸方案，加勁梁桿件及吊索的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力計(jì)算值。

由表3可知：加勁梁的弦桿和腹桿以及吊索的內(nèi)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 加勁梁及橋面系施工過(guò)程中的主要構(gòu)件應(yīng)力

2.5 窗口鉸接法的具體實(shí)施

(1) 全橋共設(shè)置15組臨時(shí)鉸，起重設(shè)備能力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力均能滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 加勁梁吊裝階段進(jìn)行10組臨時(shí)鉸接口的鉸固轉(zhuǎn)換。

(3) 橋面板鋪裝階段進(jìn)行5組臨時(shí)鉸接口的鉸固轉(zhuǎn)換。

(4) 鉸固轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力均能滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，加勁梁臨時(shí)鉸方案可行。施工單位可根據(jù)上述結(jié)果在吊梁及橋面系鋪設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)加勁梁吊裝及臨時(shí)鉸固結(jié)階段空間立體多作業(yè)面施工，在橋面系鋪設(shè)階段完成加勁梁全部臨時(shí)鉸體系轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)全橋臨時(shí)鉸接口的閉合，提高了施工作業(yè)效率，節(jié)約了配重方式體系轉(zhuǎn)換所需要的配重材料、施工設(shè)備和人力資源。

3 結(jié)語(yǔ)

以懸索橋加勁梁剛鉸轉(zhuǎn)換技術(shù)為研究對(duì)象，首先介紹了懸索橋加勁梁為什么要采用剛鉸轉(zhuǎn)換技術(shù)及剛鉸轉(zhuǎn)換技術(shù)的形式。并說(shuō)明了剛鉸轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本原理和相應(yīng)的步驟。分析了各懸索橋加勁梁連接工法的優(yōu)缺點(diǎn)。并引用白洋長(zhǎng)江公路大橋的實(shí)際案例對(duì)窗口鉸接法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，可得剛鉸結(jié)合法結(jié)合了剛接法與鉸接法的優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)的剛鉸結(jié)合法剛鉸轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)是待全部梁吊裝完成后再將大節(jié)段間的臨時(shí)連接進(jìn)行固結(jié)，最終形成完整的加勁梁。此法鉸接時(shí)機(jī)過(guò)于集中影響施工的關(guān)鍵時(shí)期。窗口鉸接法對(duì)剛接時(shí)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，利用加勁梁架設(shè)階段和橋面系鋪設(shè)階段的加勁梁線形變化，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)鉸接口逐步無(wú)應(yīng)力固接。