宋瑤?王鑫雨?于露?程德?胡井雷
摘要:公路懸索橋與人行懸索橋相比,其設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、建造難度大。本文以“2020年國際橋梁亞瑟海頓獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)項(xiàng)目——山東潭溪山人行橋?yàn)檠芯繉ο螅瑥脑O(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案、施工技術(shù)創(chuàng)新等方面進(jìn)行研究分析,防范了設(shè)計(jì)存在的一些重大安全隱患,確保了工程結(jié)構(gòu)安全與正常施工。
關(guān)鍵詞:懸索橋;設(shè)計(jì);施工
一、項(xiàng)目概況
山東潭溪山人行橋?yàn)殇摴皹颍o背索斜拉式弧形橋),橋面外弧形,橋面寬度1.8m,通過15道鋼索與主拱連接,采用Galfan鋼索,抗拉強(qiáng)度為1670MPa?;⌒螛蛎婵傞L度為126m,橫跨懸崖之間,跨度約103m,矢高25m。鋼結(jié)構(gòu)主拱為φ2000×30鋼管,鋼材型號(hào)為Q345B。
二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(一)設(shè)計(jì)原理
橋墩基礎(chǔ)位于山體西側(cè)與東側(cè)兩端位置,橋墩基礎(chǔ)周圍為山體巖壁臨空面。利用點(diǎn)云后處理Cyclone軟件進(jìn)行后處理導(dǎo)入Rhino軟件中進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì),下圖為山東潭溪山人行橋基礎(chǔ)與山體整體三維模型示意圖。橋墩基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ),西側(cè)承臺(tái)高度為4m,東側(cè)承臺(tái)高度為2m,結(jié)合混凝土支墩與鋼柱角連接。根據(jù)山體地層及施工設(shè)備,采用直徑300mm鉆孔灌注樁,樁長15m,進(jìn)入弱風(fēng)化石灰?guī)r。鋼結(jié)構(gòu)拱橋支座承受較大的水平推力,同時(shí)由于橋面為外弧形,基礎(chǔ)還承受較大的向山體外側(cè)的彎矩。為橋墩基礎(chǔ)位置選擇及設(shè)計(jì)分析帶來較大難度,橋墩基礎(chǔ)需遠(yuǎn)離巖壁布置,并對橋墩基礎(chǔ)受力狀況的巖體穩(wěn)定進(jìn)行分析。
本項(xiàng)目采用徠卡C10三維激光掃描儀,為得到完整的三維模型,從各個(gè)角度去對山體進(jìn)行掃描,因此需要合理的選擇站點(diǎn),每兩個(gè)將進(jìn)行拼接的站點(diǎn)之間至少要有 15% 以上的重合區(qū)域,且重合區(qū)域要有比較明顯的特點(diǎn),便于后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效拼接。針對本項(xiàng)目實(shí)際,在山體周邊布置6個(gè)站點(diǎn),進(jìn)行點(diǎn)云拼接、去噪后獲得較為完整的山體地貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后通過點(diǎn)云處理,獲得山體地貌精準(zhǔn)的三維模型。通過三維激光掃描獲取山體準(zhǔn)確地形,同時(shí)考慮橋臺(tái)基礎(chǔ)定位,建立山體及橋墩基礎(chǔ)的整體三維模型(見下圖),將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS,進(jìn)行受力分析。巖體分層根據(jù)地勘鉆孔資料進(jìn)行劃分,橋墩及山體采用四面體實(shí)體單元模擬。鄰近承臺(tái)及樁基礎(chǔ)周邊單元網(wǎng)格尺寸約20cm,遠(yuǎn)離橋墩基礎(chǔ)單元網(wǎng)格尺寸逐步加大,網(wǎng)格尺寸約50~100cm。
(二)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案
設(shè)計(jì)方面要解決的難點(diǎn)之一是巖體的穩(wěn)定性問題。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了三維激光掃描定位技術(shù),設(shè)置了6個(gè)掃描站點(diǎn)懸崖巖體全貌進(jìn)行了掃描,通過點(diǎn)云拼接、去噪處理,構(gòu)建了崖體、橋墩及基礎(chǔ)的三維數(shù)值計(jì)算模型,通過數(shù)值計(jì)算與分析,確保了懸崖巖體的穩(wěn)定性。
設(shè)計(jì)方面要解決的難點(diǎn)之二是設(shè)計(jì)目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性問題。采用設(shè)計(jì)—制作—施工全過程一體化設(shè)計(jì)理念,在充分考慮預(yù)應(yīng)力張拉、橋面和拱架安裝的可實(shí)施性及避免危險(xiǎn)高空作業(yè)的目標(biāo)下,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力初始狀態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算。考慮斜拉索的初始預(yù)應(yīng)力由拱架和橋面自重的相互作用產(chǎn)生,通過調(diào)整拉索原長及預(yù)應(yīng)力值使得初始狀態(tài)下橋面中點(diǎn)起拱600mm左右,在人行荷載下,橋面不產(chǎn)生向下的撓度。這樣的設(shè)計(jì)理念,避免了在橋面上布置張拉工裝、進(jìn)行危險(xiǎn)的高空作業(yè)。
三、施工技術(shù)創(chuàng)新
(一)平移和旋轉(zhuǎn)施工方案
景區(qū)運(yùn)輸條件很差,橋面和拱架只能小段工廠制作、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝。但現(xiàn)場場地狹小,采用自懸崖底部搭設(shè)腳手架或支撐柱的方案,或者懸崖底部拼接、整體提升的方案,代價(jià)極大、危險(xiǎn)性較高。而一體化設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)的條件是橋面和拱架需布置在一定的位置、連接斜拉索的兩端后由橋面和拱架的自重導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力。而只有將橋面和拱架放置在其夾角小于120度的位置上,才能連接無應(yīng)力的長度為原長的斜拉索。綜合以上因素,采用旋轉(zhuǎn)橋面和拱架的安裝方法就自然形成。
(二)臨時(shí)旋轉(zhuǎn)鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
橋面與拱架的拱腳設(shè)計(jì)均為剛接連接,為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)施工,必須設(shè)置臨時(shí)的旋轉(zhuǎn)鉸接節(jié)點(diǎn),旋轉(zhuǎn)到位后再固定和封裝節(jié)點(diǎn)。臨時(shí)鉸接節(jié)點(diǎn)采用簡單的銷軸連接方式,兩拱腳處銷軸位于拱腳連線上,銷軸節(jié)點(diǎn)必須滿足大角度旋轉(zhuǎn)的要求。
(三)拱推力主動(dòng)平衡裝置
拱在水平位置拱腳無推力,而拱在旋轉(zhuǎn)過程中,拱腳會(huì)產(chǎn)生隨與地面夾角變化的推力。這一推力會(huì)使臨時(shí)旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)上的鋼板抵緊而產(chǎn)生摩擦力,當(dāng)摩擦力很大時(shí)會(huì)使拱無法旋轉(zhuǎn)。所以,必須設(shè)置抵抗拱腳推力的平衡裝置。當(dāng)然可以設(shè)置連接兩個(gè)拱腳的拉索來被動(dòng)地抵抗拱腳推力,但長度109m的水平索拉力事實(shí)上僅取決于垂度、基本為定值,無法平衡變化的拱腳推力。
(四)搖擺柱子及爬升裝置
為拱的旋轉(zhuǎn)提供推力是旋轉(zhuǎn)施工實(shí)施的關(guān)鍵。在跨度的1/3處兩個(gè)位置各設(shè)置一根搖擺柱,搖擺柱的基礎(chǔ)為鉸接連接、可以360度旋轉(zhuǎn)。搖擺柱中設(shè)置爬升裝置,爬升裝置由一組液壓千斤頂和鋼套筒組成。鋼套筒在千斤頂推力下可以沿?fù)u擺柱爬升、停止爬升后可予以定位。千斤頂頂升推力根據(jù)施工過程的數(shù)值計(jì)算隨拱旋轉(zhuǎn)角度輸入。
(五)運(yùn)維全過程的控制與監(jiān)測技術(shù)
運(yùn)行過程中的舒適度是景觀人行橋必須考慮的問題。計(jì)算分析表明,譚溪山景觀人行橋的舒適度為CL4不可接受類別。工程中,設(shè)置了10個(gè)TMD,使橋梁舒適度達(dá)到了CL1最好類別。施工完成后、TMD安裝前后的人行現(xiàn)場實(shí)測證明了數(shù)值計(jì)算與分析的正確性。
為了確保景觀人行橋在運(yùn)行期特別是節(jié)假日高峰運(yùn)行期的安全性,對人行橋建立了運(yùn)營期全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)。對每根索布置了EM索力傳感器,在橋面上布置了三個(gè)三向加速度儀。如果加速度值超過設(shè)定的門檻值,系統(tǒng)將自動(dòng)向人行橋運(yùn)行管理部門和負(fù)責(zé)人報(bào)警。
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