大跨度斜拉桥拉索安装扭转控制技术*

甘国荣,李居泽,赖道辉,王正萃

(1.广西科技师范学院,广西 来宾 546199;2.柳州欧维姆机械股份有限公司,广西 柳州 545005)

0 引言

随着钢丝抗拉强度的进一步提升,斜拉桥主跨跨越了千米级,导致斜拉索的索力、长度和规格的增大,其最大索力达10 000kN,最大索长接近600m,索重80t,给斜拉索的安装带来很大挑战[1-2]。斜拉索平行钢丝独特的空间螺旋特征,使其合股索具有拉伸退扭行为[3],即张拉扭转现象,控制斜拉索的张拉扭转成为斜拉索安装的关键技术[4-5]。

平行钢丝合股索的螺旋钢丝在受力过程中产生层间滑移,钢丝螺旋半径、螺旋角等参数的改变对其截面特性和受力性能有重要影响[6-8],在泊松效应和张拉扭转的影响下,拉索的实际弹性模量在拉伸过程中不断增大[9],其抗弯刚度和抗扭刚度随拉力的增长呈非线性变化[10-11],给索力的精确计算和主梁线形控制带来较大偏差[12]。在较长的合股索张拉施工中,普遍存在合股索在张拉时扭转并带动千斤顶油缸或穿心套转动的现象,给安装施工带来较大的安全隐患,因此,对拉索张拉采取有针对性的主动防扭设计是精准控制拉索伸长值和索力,并保障施工安全的关键。

本文以湖北嘉鱼长江公路大桥斜拉索工程为例,通过优化拉索螺旋钢丝受力分析,分析计算拉索张拉产生的最大扭矩,据此设计千斤顶抗扭转装置对拉索退扭行为进行端部控制,并对抗扭转装置进行现场工程验证。

1 工程概况

嘉鱼长江公路大桥为主跨920m的双塔双索面单侧非对称钢箱混合梁斜拉桥,起于洪湖市燕窝镇团结村,向北连接城市圈环线高速公路洪湖段高架桥,起点里程桩号K195+641,终于嘉鱼县新街镇,向南连接城市圈环线高速公路咸宁西段高架桥,终点里程桩号K200+301,桥梁全长4 660m,分为北岸引桥、主桥、南岸滩桥、南岸跨堤桥4个区段。嘉鱼长江公路大桥全桥桥跨布置为:5×30m预应力混凝土连续小箱梁+[(70+85+72+73)+920+(330+100)]m双塔非对称单侧混合梁斜拉桥+[8×(6×50)+(5×50)+(55+100+55)]m预应力混凝土连续箱梁桥,主桥布置如图1所示。

图1 主桥布置(单位:m)

全桥按扇形空间索形式共布置240根斜拉索,采用PES7-121～301共10种规格,主材为抗拉强度1 770MPa的φ7锌-5%铝混合稀土合金镀层平行钢丝,索体防护采用黑色HDPE护套+PVF氟化膜胶带的多层结构,如图2所示。斜拉索最大索长为494.636m(SM30拉索),最大索重40.985t。斜拉索塔端除两对索采用混凝土齿块锚固外,其余28对均采用钢锚梁+钢牛腿的锚固方式。

图2 拉索结构示意

2 拉索安装扭转分析

2.1 拉索安装扭转现象

PES斜拉索由平行钢丝束按标准规定平行并拢,钢丝束初成型后,经扭绞机同心左向扭绞2°～4°而成,并经热挤外层护套盘绕成卷后运输至工地。现场挂索前需通过放索盘及展索小车将索展开,然后按吊装挂索→软牵引→硬牵引→最终张拉及调索的工序完成拉索安装。进行前期挂索及软牵引时,由于牵引力较小,拉索扭转不明显,而在后期的硬牵引(工作螺母带帽后的张拉调索),特别是在对较长索(达到400m左右)时表现较突出,稍不注意预防则较易产生严重后果。轻则千斤顶损坏,重则可能引起张拉杆退丝现象,进而引起退锚等严重后果。

2.2 拉索扭转受力分析

以最长的PES7-301(SM30)拉索为例进行分析。拉索各外层钢丝以螺旋线状围绕中心钢丝在拉索横截面上近似圆周排布,如图3所示,钢丝公称直径设为d,按各层钢丝分度圆平均半径R1,R2,…,Ri等将钢丝分成11层,中心钢丝为第0层,其余钢丝由内向外分别为第1层到第10层,设第i层钢丝的螺旋角为αi。

图3 拉索钢丝分层布置

将螺旋钢丝沿捻向展开,假设某根螺旋钢丝的弧长为Si,在中心线上的投影为Li,忽略钢丝间的接触作用及钢线截面的变化,取螺旋钢丝微段沿轴线展开可将受力简化,如图4所示。

图4 螺旋钢丝受力

图4中,拉索截面位于A—A平面内,螺旋钢丝横截面位于B—B平面内,在A—A平面的螺旋钢丝斜截面上,作用有张拉力Fi,弯矩Mi;在B—B平面的螺旋钢丝截面上,作用有轴向力Fti(Fi的切向分力),剪力Fsi(Fi的径向分力)和扭矩Ti。由几何关系可得:

Fti=Fisinαi

(1)

(2)

式中:Fi=F/n,其中F为拉索总张拉力,n为钢丝总数。

由螺旋钢丝和中心钢丝受张拉产生同向位移,可得螺旋钢丝轴向张拉位移如下:

ΔSi=ΔLisinαi

(3)

拉索张拉时一端固定,另一端为由千斤顶加载的张拉位移端,拉索钢丝在张拉过程中处于弹性变形阶段,不计钢丝间的相互作用及泊松效应,则其能量平衡方程可表示为:

(4)

式中:G为钢丝的切变模量,取0.79×105MPa;Ip为钢丝的截面极惯性矩,Ip=πd4/32。

经进一步变换及简化可得拉索总扭矩:

(5)

式中:αi为张拉后的螺旋角。

取F=6 500kN,d=7mm,n=301,E=1.95×105MPa,代入式(5)计算各层钢丝扭矩及拉索张拉总扭矩如表1所示。

表1 拉索钢丝扭矩汇总

将表1中每层钢丝扭矩汇总即可算出 PES7-301 拉索按设计索力张拉后产生的最大扭矩为 6 677.5N·m。按拉索张拉(0.4,0.7,0.9,1.0)FASL的顺序,分别对应由荷载步1～4逐渐加载,张拉力越大,拉索产生的扭矩越大,分级张拉的拉索扭矩曲线如图5所示。在张拉前半段,索力由650kN增长至4 550kN,扭矩由2 111.6N·m增长至5 586.8N·m,扭矩平均增幅为89.1N·m/100kN,增长速度较快;在张拉后半段,索力由4 550kN增长至6 500kN,扭矩由5 586.8N·m增长至6 677.5N·m,扭矩平均增幅为55.9(N·m)/100kN,增幅仅为前半段的62.7%,增长趋缓。

图5 分级张拉的拉索扭矩曲线

结合拉索张拉的荷载步分析,单根钢丝的螺旋角越小,张拉产生的扭矩越大,反之则其扭矩越小,不同螺旋角的钢丝扭矩如图6所示。在同一荷载步中,钢丝扭矩与螺旋角成负线性关系,拉索钢丝螺旋角为87°～89.7°,随着螺旋角的增大,在荷载步1,钢丝扭矩由21.0N·m降至2.1N·m,其扭矩平均降幅为-7.0(N·m)/(°);在荷载步2,钢丝扭矩由27.8N·m 降至2.8N·m,其扭矩平均降幅为-9.3(N·m)/(°); 在荷载步3,钢丝扭矩由31.5N·m降至3.2N·m,其扭矩平均降幅为-10.5(N·m)/(°);在荷载步4,钢丝扭矩由33.2N·m降至3.4N·m,其扭矩平均降幅为-11.0(N·m)/(°)。随着拉力的增加,钢丝逐渐伸长,其螺旋角缓慢增大,则其扭矩的降幅也随之加大,因此拉索的整体扭矩增长将变缓,与图5的拉索扭矩变化曲线吻合。

图6 不同螺旋角的钢丝扭矩

3 张拉防扭转分析

3.1 拉索张拉设计

桥塔端设计采用了钢锚梁,张拉内空间较大,能满足张拉工艺要求,因此拉索采用塔端张拉的方式。拉索张拉前,按图7安装好千斤顶张拉装置。张拉装置主要由张拉撑脚、千斤顶、张拉杆、张拉螺母构成,千斤顶加载时,千斤顶油缸将张拉力通过张拉螺母传递给张拉杆,通过张拉杆位移逐步张紧拉索,与此同时支撑反力通过千斤顶传递到张拉撑脚上,并由钢垫板提供所需承载力。由于油缸与撑脚、撑脚与钢垫板、张拉螺母与油缸的抗扭力矩远大于斜拉索张拉所产生的扭转力矩。因此,针对千斤顶油缸内外缸间进行抗扭转设计即可实现控制拉索的张拉退扭行为。

图7 张拉装置结构

3.2 千斤顶抗扭转设计

为保证千斤顶油缸在轴向顶升时具备止转能力,考虑在千斤顶油缸活塞顶端和外侧壁设计抗扭转装置,如图8所示。抗扭装置主要由止转悬臂、止转滑块和定向滑座组成,活塞顶端通过高强螺栓安装止转悬臂,止转悬臂外侧开槽,用盖板固定方形止转滑块于槽口内;千斤顶外侧壁通过螺栓固定定向滑座,方形止转滑块另一端安放于定向滑座的滑槽内。千斤顶活塞伸出时,由活塞上的止转悬臂带动止转滑块同向运动,定向滑座起导向和止转作用。

图8 千斤顶抗扭转装置

当千斤顶张拉至活塞极限行程200mm时,设止转滑块同时伸出定向滑座的距离L=272mm,此时达到拉索张拉的最大扭矩。已知止转滑块采用的矩形截面(a×b)为90mm×45mm。根据材料力学,可将止转滑块近似于矩形截面杆受弯矩作用,对其最大挠度进行极限状态验算:

(6)

式中:Rk为千斤顶对滑块的作用半径,取359.5mm。

将已知各参数代入式(6)计算,可得止转滑块在千斤顶最大行程极限状态下的最大挠度为0.34mm。

根据止转滑块的受力条件,通过ADINA-M建立止转滑块有限元模型,材料参数弹性模量为2.0×105MPa,泊松比为0.3。因本模拟计算关注的是张拉过程中止转滑块的受力状况,为简化计算,在止转悬臂与止转滑块侧向接触面外施加等效荷载,并对处于极限位置与定向滑座接触的止转滑块两侧面施加全约束,整个计算模型共包含2.1万多个结点,1.3万多个计算单元,分析结果如图9所示。

图9 止转滑块有限元分析

由图9可知,止转滑块的最大应力位于定向滑座的上端面两侧,距止转滑块底部122mm,在千斤顶最大行程极限状态下止转滑块最大应力为296MPa,小于其材料设计许可应力;止转滑块的最大位移位于其顶部位置,其最大位移为0.32mm,与验算的0.34mm相比,误差为-5.9%,模拟分析结果与验算结果吻合。

4 现场应用

综合考虑拉索长度、质量、施工设备、工艺要求等现场条件,斜拉索的安装采用先塔后梁、塔端张拉的施工方案。随着拉索桥面放索和空中展索的完成,可释放掉拉索大部分在加工和成盘过程中积蓄的附加弯矩和扭矩;然后先利用塔式起重机进行塔端挂索并入索导管进行张拉端临时锚固,再用卷扬机牵引拉索固定端入锚梁端进行锚固。根据张拉力大小,选取YCW300-300型和YCW650A-200型两种千斤顶进行安装。

拉索张拉按(0.4,0.7,0.9,1.0)FASL的顺序分4级进行对称同步张拉,当张拉至拉索锚杯露出锚垫板,拧上工作螺母后继续张拉至最终索力,并锁紧工作螺母。在张拉杆张拉阶段,千斤顶抗扭转装置的止转滑块与千斤顶活塞同步移动,抗扭转效果良好,全桥拉索的张拉伸长值偏差均在±4%以内,满足设计和施工要求。

5 结语

1)拉索钢丝的螺旋角越小,其张拉产生的扭矩越大,反之则其扭矩越小。在同一荷载步中,各层钢丝扭矩与螺旋角成负线性关系,在不同荷载步中,外层钢丝螺旋角越小则扭矩增量越大,最内层钢丝的扭矩增量不明显。

2)随着张拉千斤顶的持续加载,拉索索力的增大,由张拉产生的扭矩也呈增长趋势,最大扭矩平均增幅达89.1(N·m)/100kN。随着钢丝伸长值的增加,其螺旋角缓慢增大,而其扭矩则呈下降趋势,最大平均降幅达-11.0(N·m)/°,因此拉索的整体扭矩在张拉前半段增长较快,但最终整体扭矩的增长趋于平缓。由于本文分析不考虑钢丝间的相互作用,计算结果偏保守。

3)大吨位抗扭转千斤顶通过设计采用了抗扭转装置来提高内外缸的抗扭力矩,使千斤顶张拉时活塞伸长却不发生相对转动,并对止转滑块的极限状态进行了校核分析,结果证明抗扭转装置可有效抵抗拉索张拉产生的扭矩,该大吨位抗扭转千斤顶在嘉鱼长江公路大桥主桥斜拉索安装施工中取得了良好效果。