趙燦暉，管偉波，鄧開來，于得安，洪 彧

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 250073)

1 工程概況

丹江口水庫特大橋?yàn)橹骺?60m的雙塔斜拉橋，主梁為全漂浮體系。主梁采用雙邊箱輕型組合梁，截面如圖1所示。邊箱橫橋向中心距23.8m，之間設(shè)置鋼橫梁和正交異性鋼-UHPC組合橋面板，鋼梁全寬31.6m，橋面中心頂板上緣至底板上緣高3.8m，邊箱中心高度3.562m(邊箱中心頂板上緣至底板上緣)。邊箱頂板寬3.2m、厚20mm，腹板中心距3.0m、厚24mm，底板寬3.4m、厚28～46mm。標(biāo)準(zhǔn)梁段長16m，設(shè)置4道普通橫梁，標(biāo)準(zhǔn)間距4m，每2道普通橫梁間設(shè)置1道橫肋(矮橫梁)。

圖1 橋梁截面

普通橫梁腹板中心高3m、厚12mm，對應(yīng)邊箱梁內(nèi)隔板厚16mm；拉索錨固處橫梁腹板中心高3m、厚16mm，對應(yīng)邊箱梁內(nèi)隔板厚20mm；橫肋腹板中心高0.8、厚16mm，對應(yīng)邊箱梁內(nèi)隔板厚12mm。橋面板采用正交異性鋼-UHPC組合橋面板結(jié)構(gòu)，主要由正交異性鋼橋面板、剪力連接件、80mm厚密配筋UHPC層及鋪設(shè)在UHPC層上方的4cm厚SMA13瀝青混凝土磨耗層組成。鋼橋面板頂板厚12mm，頂板下部焊接U形加勁肋，肋高280mm、厚8mm，中心間距為600mm。雙邊箱輕型組合梁結(jié)構(gòu)體系明確，受力性能和經(jīng)濟(jì)性良好，在大跨度斜拉橋中得到廣泛應(yīng)用。雙邊箱輕型組合梁通常采用板件散拼的建造方法，即邊箱、橫隔板、鋼頂板、U肋等構(gòu)件逐一吊裝到位，在現(xiàn)場進(jìn)行焊接[1-3]。單個板件質(zhì)量小，僅需噸位較小的起重機(jī)即可完成構(gòu)件吊裝。針對構(gòu)件散拼的建造方法，已有較多研究成果和工程實(shí)踐。

但構(gòu)件散拼建造方式耗時長，現(xiàn)場需大量焊接，不利于環(huán)保。依托丹江口水庫特大橋，提出了整體節(jié)段吊裝的建造方式，可極大地縮短建造時間，減少現(xiàn)場焊接工作。斜拉橋組合梁吊裝步驟如下：組合梁在工廠內(nèi)完成板件之間焊接，并且澆筑混凝土，運(yùn)送至施工現(xiàn)場后，采用大噸位橋面起重機(jī)起吊至目標(biāo)位置，完成邊箱梁環(huán)縫焊接，張拉斜拉索至目標(biāo)索力，使新吊梁段與既有梁段界面處無彎矩，焊接鋼頂板和U肋，澆筑梁段之間混凝土濕接縫，然后將索力張拉至預(yù)定索力，橋面起重機(jī)移至新吊梁段上方，繼續(xù)吊裝下一個梁段。類似施工方案已在多個采用鋼箱組合梁的斜拉橋中得到應(yīng)用，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明了上述吊裝方案具有較高效率[4-6]。但雙邊箱輕型組合梁橫向剛度過小，在橋面起重機(jī)與新吊梁段帶來的集中荷載下，既有梁段會產(chǎn)生巨大下?lián)献冃?，致使新吊梁段與既有梁段無法正常匹配連接。因此，需根據(jù)雙邊箱組合梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究其整體梁段吊裝精確匹配技術(shù)。

依托丹江口大橋?qū)嶋H工程，提出了體外預(yù)應(yīng)力-分級張拉-梁重置換一體化的雙邊箱輕型組合梁糾偏技術(shù)體系，通過數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)體系可有效減小新、舊梁段變形差，有效提升了斜拉橋雙邊箱輕型組合梁建造速度和匹配精度，減少了現(xiàn)場焊接工作量，提升了橋梁建設(shè)品質(zhì)和環(huán)保性。

2 梁段吊裝數(shù)值模型

2.1 節(jié)段選取

為精確分析梁段在吊裝過程中的變形，選取3個既有梁段作為分析對象(見圖2)。橋面起重機(jī)前支點(diǎn)和后錨點(diǎn)分別作用在最外側(cè)梁段和第2個梁段拉索位置處拉索橫隔板上方，3個既有梁段可完全覆蓋橋面起重機(jī)影響區(qū)域。

圖2 分析梁段示意

在新吊梁段與既有梁段邊箱匹配前，新吊梁段不出現(xiàn)在模型中，新吊梁段與橋面起重機(jī)自重采用節(jié)點(diǎn)力的方式施加在橋面起重機(jī)支腿處。當(dāng)新吊梁段與既有梁段完成邊箱匹配后，在模型中激活新吊梁段單元和節(jié)點(diǎn)，并分析其在索力、梁重置換等工況下的變形。

2.2 數(shù)值模型

在ABAQUS中建立梁段數(shù)值模型，如圖3所示?；炷涟宀捎脤?shí)體單元，鋼梁采用殼單元，鋼頂板和混凝土采用栓釘連接。在模型中的6個拉索錨固點(diǎn)及遠(yuǎn)端普通橫梁相同位置賦予豎向約束，在最內(nèi)側(cè)斷面形心處，賦予2個水平方向約束，模擬既有梁段在吊裝過程中的邊界條件，同時3個平動方向均有約束，可保證模型計(jì)算收斂，紅色框?yàn)檫吔缭O(shè)置點(diǎn)，藍(lán)色框?yàn)闃蛎嫫鹬貦C(jī)前支點(diǎn)和后錨點(diǎn)荷載位置。

鋼材選用采用隨動硬化的雙線性模型，屈服應(yīng)力為345MPa，屈服后剛度比為0.01?；炷吝x用塑性損傷模型，受壓方向上升段為拋物線，下降段為直線，抗壓強(qiáng)度140MPa，應(yīng)變0.002με，殘余強(qiáng)度70MPa，應(yīng)變0.01με；受拉方向采用彈脆性材料，抗拉強(qiáng)度10MPa，應(yīng)變2×10-4με，達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，拉應(yīng)力快速下降至0。

橋面起重機(jī)荷載按均布力形式施加在橋面起重機(jī)支腿覆蓋的橋面板上。前、后支腿荷載如表1所示。

表1 橋面起重機(jī)支腿荷載

3 吊裝變形分析

3.1 傳統(tǒng)整體吊裝變形驗(yàn)算

既有梁段各構(gòu)件變形如表2所示。邊箱梁出現(xiàn)了嚴(yán)重的八字形面外扭轉(zhuǎn)，同時橋面板中心線也出現(xiàn)了嚴(yán)重下?lián)?。新吊梁段存在微幅上翹，最大上翹量為1.07mm，新吊梁段和既有梁段豎向最大變形差為59.16mm，邊箱梁向外扭轉(zhuǎn)最大位移達(dá)11.08mm，無法滿足主梁精確匹配的要求。

表2 既有梁段吊裝變形

3.2 新型糾偏施工方案

為減小吊梁過程中的新、舊梁段變形差，在新吊梁段達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，提出以下施工流程。

1)在既有梁段雙邊箱底部對拉體外預(yù)應(yīng)力束，減小邊箱梁扭轉(zhuǎn)變形。

2)邊箱梁實(shí)現(xiàn)有效匹配后，邊箱進(jìn)行焊接，保障新舊梁段邊箱梁的有效傳力，體外預(yù)應(yīng)力繼續(xù)保留形成新吊梁段的反拱便于頂板焊接。

3)進(jìn)行新吊梁段上的斜拉索首次張拉，張拉目標(biāo)為在新吊梁段和起重機(jī)吊具自重下，新、舊梁段界面不承受彎矩。

4)起重機(jī)卸載新吊梁段，并將吊具置放于新吊梁段，局部區(qū)域通過千斤頂頂壓完成頂板焊接，焊接完成后對體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行卸載。

該方案有效利用雙邊箱組合梁中多層級結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)了第一、第三體系的分批匹配，率先連接變形差較小的第一體系，并由已連接的第一體系作為支撐結(jié)構(gòu)，在新、舊梁段上實(shí)現(xiàn)荷載重分配，進(jìn)而減小吊裝過程中的新、舊梁段變形差。

3.3 新型施工方案變形驗(yàn)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)方案，在后端橫梁處邊箱梁底部施加1 500kN預(yù)應(yīng)力，前端橫肋(矮橫梁)處邊箱梁底部施加1 500kN預(yù)應(yīng)力。該橫向體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線對邊箱扭轉(zhuǎn)具有有效矯正作用，如圖4所示。

圖4 體外預(yù)應(yīng)力施加示意

根據(jù)計(jì)算，施加體外預(yù)應(yīng)力后，邊箱梁底部扭轉(zhuǎn)角僅有0.11°，最大向外位移降至5.54mm(見表3)，滿足邊箱梁匹配時的焊接要求。

表3 張拉體外預(yù)應(yīng)力后既有梁段吊裝變形

在張拉預(yù)應(yīng)力后，橋面板最大變形差為50.16mm，還需進(jìn)一步采用梁重置換法進(jìn)一步提高匹配精度。

在體外預(yù)應(yīng)力張拉后，對邊箱進(jìn)行焊接，保證、新、舊梁段邊箱梁的有效傳力。然后進(jìn)行新吊梁段拉索首次張拉，將被吊梁段自重轉(zhuǎn)移至拉索。張拉目標(biāo)為在新吊梁段和起重機(jī)吊具自重下，新、舊梁段界面不承受彎矩。

新吊梁段拉索張拉后，橋面起重機(jī)松吊，減小橋面起重機(jī)前支點(diǎn)反力，既有梁段殘余變形如表4所示。至此，橋面板最大撓度減小至15.8mm，滿足了新、舊梁段匹配的要求。

表4 梁重置換后既有梁段吊裝變形

4 安裝過程實(shí)測變形

依托丹江口水庫特大橋?qū)嶋H工程，測量了梁段吊裝時新、舊梁段變形差的發(fā)展。橋面起重機(jī)松吊前、后新、舊梁段橋面板高差如圖5所示(非變形差最大位置)。

圖5 橋面起重機(jī)松吊前、后新、舊梁段橋面板高差

計(jì)算分析和現(xiàn)場實(shí)測的最大新、舊梁段變形差對比如表5所示，表5中的數(shù)值為累積值。由表5可知，計(jì)算值與實(shí)測值在吊裝全過程的絕對誤差≤5.5mm，表明計(jì)算的有效性。通過系列措施，雙邊箱輕型組合梁節(jié)段吊裝時的新、舊梁段變形差減小至15mm，滿足精確匹配的要求。

表5 最大變形差計(jì)算值和實(shí)測值對比

5 結(jié)語

1)對拉橫向體外預(yù)應(yīng)力可有效減小邊箱梁(第一體系)橫向外撓，由此可實(shí)現(xiàn)在橋面板未匹配的情況下，鋼箱梁率先焊接，由此可支撐梁重置換。

2)梁重置換可大幅減小既有梁段橋面板(第三體系)撓度差，實(shí)現(xiàn)橋面板高精度匹配。

3)模型計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測得到的變形差誤差≤5.5mm，說明建模方式具有良好精度。