空间双索面自锚式悬索桥体系转换技术研究

魏建发,潘小虎,银庆友,朱孟艳,安 碧

(1.中铁一局集团有限公司,陕西 西安 710054;2.中铁一局集团有限公司第三工程分公司,陕西 宝鸡 721006)

近年来,随着城市交通不断发展,空间索面自锚式悬索桥因其造型优美、跨越能力强以及不受地质条件限制而被广泛应用于城市桥梁建设[1-3]。如天津富民桥、青岛海湾大桥、独塔的广州猎德大桥、双塔的杭州江东大桥、美国的旧金山新奥克兰海湾桥及韩国的永宗大桥等[4-10]。空间索面悬索桥其主缆与吊索形成了一个三维、稳定的索系,其主缆被锚固于主梁上,决定了该桥型大多采用“先梁后缆”法施工,即先架主梁后架主缆,然后进行吊索安装和张拉,完成加劲梁自重由临时支撑承担通过吊索转换到由主缆承担,主缆由空缆线形变化到成桥线形,实现自锚式悬索桥体系转换。

吊索张拉是体系转换施工过程的关键工序,它不仅使加劲梁脱离临时支撑,而且使主梁、主缆的线形符合设计要求,主塔塔顶纵向位移及塔身应力满足安全要求。针对体系转换施工,本文主要从吊索张拉施工方案制定与优化、主梁与桥塔施工控制等方面进行了研究,并对成桥吊索索力、主梁挠度及桥塔塔偏与理论值进行了对比分析。

1 工程概况

联盟路渭河大桥主桥为空间双索面自锚式悬索桥,主桥设置16#、17#两座70 m高主塔,桥跨布置为(95+200+95) m,全长390 m,桥面总宽29 m,其中200 m为主跨,95 m为边悬吊跨,主梁采用混合梁的形式。全桥共设2根主缆,矢跨比为1/5,线形为分段式三维空间悬链线,主塔处横桥向的中心间距为25.4 m,锚固点处主缆横向间距为21.76 m,中跨跨中主缆横向间距为22.24 m。单根主缆由19股索股组成,抗拉强度标准值1 770 MPa。索股由91根Φ5.3 mm预制平行高强镀锌钢丝索 (PPWS) 编排而成,两端各设1个套筒式热铸锚头。主缆经过散索套后,呈辐射状分散展开为单股,穿过各自导管,分别锚固于锚墩位置混凝土主梁内后锚室端面上。

吊索采用预制平行钢丝吊索,纵向间距9 m,共74根,双层PE护套防护。每个索夹设1根吊索,单根吊索由151根Φ5 mm镀锌高强钢丝组成,抗拉强度标准值1 670 MPa,上端通过叉形耳板与索夹销接,下端通过LZM5-151冷铸锚头螺母、球铰与主梁上的锚垫板连接。吊点编号从主缆散索点向主跨跨中方向编号,编号依次为S8～S1和M1～M11号,具体见图1。

图1 宝鸡市联盟路渭河大桥立面布置(单位:m)

2 吊索张拉方案制定与施工优化

2.1 制定吊索张拉施工方案步骤

吊索张拉施工方案须明确张拉顺序、步骤和方法,制定鞍座顶推步骤,确定分次顶推的时机和顶推量。吊索张拉顺序宜从主塔向跨中进行,张拉时应同步、分级、均匀施力,且应以拉力和拉伸长度进行双控,并以拉力为主[11]。

根据以上要求,确定吊索张拉方案步骤如下:

(1) 拟定吊索张拉的初步顺序为:由主塔向跨中,对称张拉。

(2) 运用有限元软件对吊索张拉过程进行仿真模拟,模拟过程中根据塔顶偏位及塔柱应力确定主索鞍顶推时机及顶推量(拟定主索鞍向中跨方向顶推)。

(3) 查看计算结果,根据构造及安全要求以及“吊索张拉次数、张拉千斤顶数量、接长杆长度尽量少或者短”原则进行施工方案优选。构造及安全要求为:体系转换后主梁、主缆的线形应符合设计要求,吊索张力与理论张力误差控制在±10%以内,小于吊索抗拉强度标准值1 670 MPa;加劲钢梁拉应力不能超过180 MPa,应满足强度和稳定性要求;主塔塔身不宜出现拉应力,且压应力不能超过1.83 MPa,保证结构安全。

2.2 吊索张拉初始方案

根据吊索张拉的次数对吊索张拉方案进行分类,可以分为一次张拉法和多轮循环张拉法。一次张拉法是将吊索一次性张拉至无应力索长,只需张拉一次,只张拉一轮;多轮循环张拉法主要用于在吊索张拉过程的中期,主缆刚度已较大时,为了不使吊索索力超限,需对多根吊索采用多次循环张拉的方式施工到成桥无应力索长以保证结构的安全。

初始吊索张拉方案采用一次张拉法施工,全桥吊索分为5组按先后顺序进行安装,整体顺序为由桥塔向两侧对称安装,先安装桥塔附近中跨吊索及所有边跨吊索,后安装中跨跨中吊索。

(1) 索鞍预偏49 cm后进行第1组吊索(边跨S1～S6,中跨M1～M6)。对称安装、张拉S1、M1至设计位置→对称安装、张拉S2、M2至设计位置→对称安装、张拉S3、M3至设计位置→对称安装、张拉S4、M4至设计位置→对称安装、张拉S5、M5至设计位置→对称安装、张拉S6、M6至设计位置,此过程中无需接长杆。

(2) 第2组吊索(边跨S7～S8)。对称安装、张拉S7、S8至设计位置后索鞍顶推24 cm,此过程中无需接长杆。

(3) 第3组吊索(中跨M7)。对称安装、张拉M7至设计位置后索鞍顶推18 cm,其中吊索M7接长杆长度为1 m。

(4) 第4组吊索(中跨M8～M9)。对称安装、张拉M8、M9至设计位置后索鞍顶推3 cm,其中吊索M8接长杆长度为2.5 m,吊索M9接长杆长度为3 m。

(5) 第5组吊索(中跨M10～M11)。对称安装、张拉M10,同时同步安装、张拉M11至设计位置,其中吊索M10接长杆长度为2.5 m,吊索M11接长杆长度为2 m。第5组吊索张拉及二期恒载施工完成后主索鞍顶推4 cm后锁定。

采用有限元仿真分析,可得上述体系转换方案各工况的吊索力、主梁挠度及主塔塔偏的数据变化过程,具体见图2。

图2 吊索、主梁及主塔应力及位移的变化过程

由图2可知,在施工过程所有吊索力中M9的索力峰值最大,对应的应力峰值为522 MPa,远小于1 770 MPa,吊索安全;在整个体系转换过程中,主梁最大挠度值为40 cm,主梁成桥挠度考虑混凝土收缩徐变之后,主梁跨中挠度为2 cm,同时主梁在整个体系转换过程中应力不超限,主梁结构安全;16#桥塔纵向偏位最大值为3.5 cm,17#桥塔纵向偏位最大值为3.4 cm,均发生在拆支架施工阶段,随着主缆的荷载逐渐加大,桥塔逐渐向跨中偏移,为防止塔偏过大,需要及时对索鞍进行顶推,同时桥塔在整个体系转换过程中始终未出现拉应力,且压应力也满足限值要求。

2.3 吊索张拉方案的优化

该桥在体系转换施工过程中,原定张拉顺序为:半侧以主塔为对称中心,整桥以M11号吊点为中心,首先依次对称张拉至S6、M6号吊索,其次对称张拉S7～S8号吊索,然后依次对称张拉M7～M11号吊索。但在实际张拉施工过程中,张拉M7号吊索时,发现存在主缆刚度较大、M7及M8号吊索很难一次张拉到位、M9号吊索接长杆长度不够等问题。

基于对初始体系转换方案的仿真分析,并根据现场施工条件,决定采用循环张拉法解决上述问题,对初始吊索张拉方案中的第3～5组吊索进行优化,具体操作为:

(1) 第3组吊索(中跨M7～M8)。对称安装、张拉M7至664 kN→对称安装、张拉M8至1 160 kN→张拉M7至1 426 kN→张拉M8至1 400 kN,其中吊索M7接长杆长度为1 m、吊索M8接长杆长度为2 m。经测量下游吊索M7张力为854.421 kN,上游为853.369 kN;下游吊索M7张力为945.265 kN,上游为954.361 kN。

(2) 第4组吊索(中跨M9～M11)。对称安装、张拉M9至1 400 kN→对称安装、张拉M10至990 kN→张拉M11至616 kN,其中吊索M9、M10、M11接长杆长度为2 m。吊索索力实测数据见表1。

表1 吊索张拉后实测与理论吊索索力

2.4 体系转换过程吊索索力变化

体系转换作用集中发生在第4组吊索(中跨跨中吊索)安装过程中,该过程中主缆线形、吊索内力和倾角、临时支撑受力等的变化幅度较大。按优化吊索张拉方案施工,索力实测数据见表1。从表1中可知,二期铺装施工后,同一编号的吊索上下游差值均小于50 kN,满足施工控制精度的要求,且索力较为均匀,全桥吊索索力与索力理论值(774.323 kN)的偏差基本在5%以内,总体索力偏差全部小于10%,满足施工控制精度要求。表1中吊索S8长度太短，因此测不出索力数据。

2.5 主索鞍顶推施工的优化

空缆状态主索鞍向跨中方向预偏49 cm,体系转换过程中通过主索鞍朝中跨方向多次顶推,防止桥塔偏位过大出现拉应力危及主塔结构安全。对吊索张拉方案进行优化,与此同时结合“小步快跑”法进行索鞍顶推,主索鞍顶推方案优化前后对比如表2所列。

表2 主索鞍顶推方案优化前后对比

2.6 临时支架拆除

第4组吊索张拉完成后,全桥主梁均已脱离支架,务必及时拆除梁底临时支架。否则,支架对主梁的竖向支撑将改变二次调索时的结构体系,严重影响对吊索实际成桥索力的计算,增加调控工作量。临时支架的拆除顺序为:先拆边跨,再拆主跨。原因在于边跨主梁挠度较小,二次调索及索鞍顶推会受到边跨支架的限制,因此要先从边跨开始拆除临时支架。边跨的临时支架拆除从边跨跨中向两侧进行。

3 体系转换过程主梁施工控制

3.1 主梁成桥预拱度分析

自锚式悬索桥以施加完二期荷载后为成桥状态。采用有限元参数法针对二期荷载后管线荷载、车辆动荷载以及混凝土收缩徐变对主梁跨中挠度的影响进行分析。

(1) 据估算,管线荷载为8.4 kN/m,主梁中跨跨中挠度下挠增量为3.1 cm;

(2) 考虑桥塔混凝土收缩徐变期为1 000天,主梁中跨跨中挠度下挠增量为3.2 cm;

(3) 根据《城市桥梁设计规范》(CJJ11-2011)汽车荷载采用城-A级双向四车道布置[12],纵向折减系数0.97,横向折减系数0.67,动力冲击系数1.05,并对全桥进行移动荷载分析,考虑汽车荷载,主梁中跨跨中挠度下挠增量为16.4 cm。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2019)要求,自锚式悬索桥在平衡态下预拱度取1/2可变荷载频遇值计算的长期挠度之和[13],经计算主梁中跨跨中预拱度设置为3.1+3.2+16.4/2=14.5 cm。

3.2 体系转换对主梁挠度的影响

体系转换施工过程中,每个工况结束,均需对全桥主梁标高进行测量,根据实测标高数据得到的挠度数据见表3。

表3 体系转换过程主梁挠度

从表3中可知,在体系转换前期(第1～2组张拉后),吊索整体张力较小,主梁挠度几乎为零;当第4组吊索张拉完成时,中跨发生大幅度上挠,中跨跨中挠度最大可达43.1 cm;调索结束后,主梁挠度大幅下降;二期铺装施工后,缆索体系刚度较大,索鞍顶推对主梁挠度影响较大,随着索鞍的顶推固定,中跨跨中主梁下降,边跨主梁回升。

二期铺装施工后(管线未施工),成桥主梁中跨跨中标高与设计值之间的差值为上游14.1 cm,下游13.5 cm,与理论值14.5 cm偏差很小,满足施工要求。考虑管线荷载、汽车荷载、混凝土收缩徐变设置的预拱度,随着时间的推移,主梁挠度将不断向设计值靠拢。

4 体系转换过程桥塔施工控制

4.1 桥塔成桥预偏量分析

自锚式悬索桥在成桥过程中，二期荷载、管荷载及混凝土收缩徐变还会使桥塔位置产生偏移，因此针对以上3个影响因素对主塔偏移的影响进行有限元分析。

(1) 施加完二期荷载后,16#桥塔塔顶理论偏位为0 cm,17#桥塔塔顶理论偏位为向边跨侧偏位0.2 cm,满足成桥状态的塔直要求。

(2) 考虑后期管线荷载8.4 kN/m及桥塔混凝土收缩徐变期1 000天之后,16#桥塔理论向跨中侧偏位1.65 cm,相较平衡态,向跨中侧偏位增量1.65 cm;17#桥塔理论向跨中侧偏位0.94 cm,相较平衡态,向跨中侧偏位增量1.14 cm。

综上所述,为了能够保证桥塔在后期管线荷载及考虑收缩徐变作用下能回到竖直状态,需在二期荷载施加完时预留桥塔塔顶理论偏位。考虑到模型的对称性,为了消除数值分析偏差,预偏量取值为两个桥塔塔顶理论偏位平均值,即在二期荷载施加完时16#、17#桥塔塔顶理论偏位均为向边跨侧偏位1.4 cm。

4.2 体系转换对桥塔偏位的影响

体系转换施工过程中,每个工况结束,需对全桥主塔进行测量,根据实测桥塔偏位数据(见表4)可知,与控制目标相比,4根塔柱塔顶的纵桥向偏差最大为0.4 cm,远小于2 cm的控制误差允许值,在后期管线荷载及收缩徐变作用下,预计桥塔将实现铅锤直立状态。

表4 体系转换过程中桥塔偏位

5 结论

(1) 在吊索张拉过程中,针对吊索M9因为接长杆长度受限而无法安装的问题,通过对吊索M7及M8进行循环张拉,同时结合“小步快跑”法进行主索鞍顶推,优化了吊索张拉方案,实现了全桥缆索系统的合理化施工。

(2) 在体系转换过程中,针对主梁挠度进行实测发现,吊索安装完成时主缆中跨跨中上挠达到峰值,调索结束后,主梁挠度大幅下降,二期铺装施工后,索鞍顶推对主梁挠度影响较大,随着索鞍的顶推固定,中跨跨中主梁下降,边跨主梁回升。

(3) 在体系转换过程中,对桥塔偏位进行实测发现,随着吊索张拉和二期铺装的施工,结合“小步快跑”法进行主索鞍顶推,可使桥塔逐步向跨中偏移,直至到达理论位置。