吳海軍，何 立，郭 輝，王邵銳，王 楨

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074； 2.省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074; 3.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

自錨式懸索橋造型美觀、結(jié)構(gòu)新穎，景觀及造型上的優(yōu)勢(shì)使這種橋型發(fā)展迅速[1-3]。自錨式懸索橋傳統(tǒng)施工法通常需要搭設(shè)支架或臨時(shí)墩實(shí)現(xiàn)主梁安裝及體系轉(zhuǎn)換，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形條件有較高要求，這限制了自錨式懸索橋的發(fā)展[4-6]，而“先斜拉，后懸索”(即先采用斜拉扣掛法安裝主梁，形成臨時(shí)斜拉橋；再架設(shè)主纜、張拉吊索，形成“斜拉-懸索”共存體系；最后拆除斜拉索，形成懸索橋)施工法能有效解決此難題，該方法在2019年即將建成的鵝公巖軌道專用橋中得到首次應(yīng)用。鵝公巖軌道專用橋是主跨為600 m的自錨式懸索橋，即將超越當(dāng)前已建成的主跨為480 m的世界最大跨徑自錨式懸索橋——愛(ài)沙尼亞穆胡島橋而成為新的世界之最。鵝公巖軌道專用橋主跨為長(zhǎng)江主航道，為了確保長(zhǎng)江正常通航，防止船只撞上橋梁支架，鵝公巖軌道專用橋不能在長(zhǎng)江航道里搭建支架或頂推成梁，因而首次采用“先斜拉，后懸索”的總體施工方案，運(yùn)用斜拉扣掛施工法實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，施工方法新穎、獨(dú)特，體系轉(zhuǎn)換技術(shù)難度高，轉(zhuǎn)換過(guò)程中，結(jié)構(gòu)受力、變形過(guò)程復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外工程界尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可以直接應(yīng)用，相關(guān)研究也極少。

目前，針對(duì)大跨徑自錨式懸索橋主纜位移特性已有部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如檀永剛[7]等提出自錨式懸索橋主纜弱相干性原理，并通過(guò)金華康濟(jì)橋進(jìn)行了實(shí)橋論證；張俊平[8]等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了獵德大橋主纜位移在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的演變規(guī)律，并明確指出了主纜弱相干性特性的適用條件；王楨[9]等采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析了桃花峪黃河大橋主纜隨施工階段的變化規(guī)律，對(duì)主纜弱相干性適用條件進(jìn)行了探討。但以往的研究均是基于傳統(tǒng)的體系轉(zhuǎn)換方式，而工程界對(duì)“先斜拉，后懸索”體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中主纜位移變化規(guī)律及幾何非線性行為表現(xiàn)等認(rèn)識(shí)不夠深入和全面，特別是當(dāng)主跨跨徑從400 m級(jí)突破至600 m級(jí)時(shí)，其結(jié)構(gòu)體系力學(xué)特性將發(fā)生質(zhì)的變化，且隨著跨徑不斷增大，其幾何非線性亦更加突出。有鑒于此，本文以鵝公巖軌道專用橋?yàn)橐劳?，研究大跨自錨式懸索橋在“先斜拉，后懸索”體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中主纜的位移變化規(guī)律，以期為同類型橋梁的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

鵝公巖軌道專用橋主橋跨徑布置為(50+210+600+210+50)m，為雙塔五跨自錨式懸索橋，橋跨布置如圖1。主梁為鋼-混混合梁，主纜錨固段及錨跨段采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土箱梁與鋼箱梁之間設(shè)鋼-混結(jié)合段，邊跨鋼箱梁采用頂推法施工，中跨鋼箱梁采用斜拉扣掛懸臂拼裝施工法，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁長(zhǎng)15 m。主纜矢跨比為1/10，主纜采用高強(qiáng)平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，纜間距為19.5 m;吊桿采用高強(qiáng)平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 770 MPa，吊桿間距為15 m。兩岸主塔高度一致，均為鋼筋混凝土門形構(gòu)造。

圖1 鵝公巖軌道專用橋全橋橋跨布置圖

2 數(shù)值模型

采用MIDAS/Civil對(duì)“斜拉-懸索”體系轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。結(jié)合本橋?qū)嶋H情況，在數(shù)值模擬中，主梁、主塔采用變截面梁?jiǎn)卧M，臨時(shí)斜拉索、主纜及吊桿采用索單元模擬；主塔塔底固結(jié)，主梁于主塔處約束其豎向及橫向自由度，主纜錨固點(diǎn)與加勁梁之間采用剛性連接，臨時(shí)支架采用只受壓不受拉彈性支撐模擬。有限元分析模型見(jiàn)圖2。

圖2 MIDAS Civil 有限元模型

3 主纜位移特性分析

自錨式懸索橋“斜拉-懸索”體系轉(zhuǎn)換最終目標(biāo)是使成橋線形和受力均符合設(shè)計(jì)要求，并保證體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全。吊索的張拉順序、臨時(shí)斜拉索的拆除時(shí)機(jī)及順序等使“斜拉-懸索”體系轉(zhuǎn)換方式錯(cuò)綜復(fù)雜，但體系轉(zhuǎn)換方式是否合理應(yīng)從施工便利性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合進(jìn)行考慮。本文所采用的體系轉(zhuǎn)換程序是綜合以上原則而設(shè)置，在整個(gè)施工過(guò)程中各構(gòu)件受力及變形均符合要求。

體系轉(zhuǎn)換總體思路：以臨時(shí)斜拉橋?yàn)榛A(chǔ)，從主塔向跨中方向安裝數(shù)對(duì)能一次張拉到位的吊索；然后中跨繼續(xù)向跨中方向安裝吊索，與此同時(shí)，從主塔向錨跨方向安裝邊跨吊索，一側(cè)1根，對(duì)稱安裝，直至體系轉(zhuǎn)換完成；再?gòu)纳现料轮饘?duì)拆除臨時(shí)斜拉索，以此實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。

鵝公巖軌道專用橋橋跨布置對(duì)稱，在施工過(guò)程中主纜變形基本對(duì)稱，故僅提取左半跨(九龍坡區(qū)側(cè))主纜位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。懸索橋吊索編號(hào)及臨時(shí)斜拉橋拉索編號(hào)見(jiàn)圖3，體系轉(zhuǎn)換方案施工工序見(jiàn)表1。

圖3 “斜拉-懸索”體系共存圖

3.1 主纜位移變形特性分析

為研究主纜位移在各施工階段的變化規(guī)律，選取了左半跨(九龍坡區(qū)側(cè))部分吊索對(duì)應(yīng)主纜索夾點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱吊點(diǎn))進(jìn)行位移特性分析，其變化規(guī)律見(jiàn)圖4，圖中“豎向位移累積量”指在當(dāng)前施工階段吊索對(duì)應(yīng)主纜索夾點(diǎn)產(chǎn)生的豎向位移累積量。分析結(jié)果如下。

圖4 邊、中跨主纜豎向位移累積量/m

a.近塔區(qū)和主纜錨固區(qū)主纜吊點(diǎn)(如LS2、LS10、LM18、LM16)豎向位移波動(dòng)范圍明顯小于其他吊點(diǎn)。這是由于近塔區(qū)及主纜錨固區(qū)的主纜分別受主塔與錨固段的約束作用，主纜的豎向剛度較大，致使該區(qū)段主纜豎向變形較小。

b.主索鞍頂推使得兩個(gè)塔頂主索鞍之間的水平投影長(zhǎng)度減小，邊跨主纜水平投影長(zhǎng)度變大，使中跨主纜呈現(xiàn)出“松弛”狀態(tài)，而邊跨主纜呈現(xiàn)“緊繃”現(xiàn)象，邊跨主纜在主索鞍頂推工況均發(fā)生了豎直向上位移，中跨主纜位移變化與之相反，如工況8、工況11等。這主要是因?yàn)閼宜鳂蚴┕ぶ邪白斖频哪康氖轻尫虐白子捎跇蛩v向剛度約束引起的縱向剪力，避免橋塔受力過(guò)大和主纜在鞍座中的滑移，一般懸索橋鞍座頂推前后主纜線形變化不大，但由于本橋先施工了斜拉橋，在張拉吊索時(shí)，塔頂?shù)膭偠却?，塔頂?shù)淖冃涡。白斖频哪康闹饕轻尫虐白鶅蓚?cè)的不平衡力，由此才出現(xiàn)頂推前后主纜線形變化比較大的問(wèn)題，也即呈現(xiàn)出邊跨主纜“緊繃”，中跨主纜“松弛”現(xiàn)象。

c.邊跨主纜吊點(diǎn)在拆臨時(shí)斜拉索階段均產(chǎn)生了緩慢向上變形的趨勢(shì)，這是由于臨時(shí)斜拉索拆除時(shí)機(jī)位于全橋吊桿張拉結(jié)束后，此時(shí)加勁梁的絕大部分重量通過(guò)吊桿已轉(zhuǎn)移至了主纜，主纜的重力剛度初步形成，因此在拉索拆除階段，主塔兩側(cè)主纜的不平衡水平力較小，主塔向跨中發(fā)生了較小的側(cè)移，使邊跨主纜發(fā)生了較小的向上變形量，中跨主纜豎直向下變形逐漸減小且趨于穩(wěn)定。此過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)塔根應(yīng)力及塔頂側(cè)移及時(shí)進(jìn)行主索鞍頂推，保證主塔安全。

表1 體系轉(zhuǎn)換施工工序Table1 Systemconversionconstructionprocess工況施工內(nèi)容工況施工內(nèi)容工況施工內(nèi)容1斜拉橋成橋18L/RS4、L/RM10到位 L/RM9一張35拆15#斜拉索2安裝主纜19L/RS5、L/RM9到位 L/RM8一張36拆14#斜拉索3安裝索夾20頂推第5次37拆13#斜拉索4LM/RM19到位21L/RS6到位 L/RM7一張 L/RM8二張38拆12#斜拉索5LM/RM18到位22頂推第6次39拆11#斜拉索6LM/RM17到位23L/RS7、L/RM8到位 L/RM7二張40拆10#斜拉索7LM/RM16到位24L/RS8、L/RM7到位 L/RM5一張41頂推第9次8頂推第1次25頂推第7次42拆9#斜拉索9LM/RM15到位26L/RS9、L/RM6到位 L/RM4一張43拆8#斜拉索10LM/RM14到位27L/RS10、L/RM3、L/RM4、L/RM5到位44拆7#斜拉索11頂推第2次28頂推第8次45拆6#斜拉索12LM/RM13到位29L/RS11、L/RM2到位46拆5#斜拉索13L/RS1、L/RM12到位30L/RM1到位47拆2#斜拉索14頂推第3次31M0到位48拆1#斜拉索15L/RS2、L/RM11到位32拆3#斜拉索49拆鋼塔、臨時(shí)支架16L/RS3到位 L/RM1033拆4#斜拉索50二期鋪裝17頂推第4次34拆16#斜拉索51頂推第10次

d.在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，中跨主纜豎向位移變形范圍較大，邊跨主纜豎向位移變形范圍相對(duì)較小。這主要是因?yàn)橹锌缰骼|的豎向位移是主索鞍頂推產(chǎn)生的“松弛”效應(yīng)和吊索張拉效應(yīng)的疊加，而邊跨主纜豎向位移與之相反，加之邊跨矢跨比較中跨小，邊跨豎向剛度較中跨大，因此中跨主纜豎向變形表現(xiàn)較邊跨更加劇烈。

3.2 主纜位移幾何非線性行為分析

大跨徑自錨式懸索橋主纜的幾何非線性問(wèn)題尤為突出，研究非線性的方法較多[10-12]，本文采用最為直接的方法-分次加載法對(duì)此橋施工過(guò)程中主纜幾何非線性特征進(jìn)行分析。分次加載法是以荷載作用不發(fā)生改變?yōu)樵瓌t，探求結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化規(guī)律。具體陳述為在同一結(jié)構(gòu)體系中、同一施工工序下，將同一位置的作用荷載均分為兩份，連續(xù)兩次作用于結(jié)構(gòu)，對(duì)比主纜位移的增量。若兩次增量相同，則主纜位移呈線性特征；否則，主纜位移呈幾何非線性特征。

3.2.1吊索張拉過(guò)程中主纜幾何非線性行為表現(xiàn)

圖5中“兩次荷載作用位移差值”指將作用荷載均分為兩份并連續(xù)作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，主纜兩次豎向位移增量的差值；各施工工況詳見(jiàn)表1；吊點(diǎn)編號(hào)為左半跨吊索對(duì)應(yīng)主纜上的索夾點(diǎn)編號(hào)，吊點(diǎn)編號(hào)按LS11→M0方向依次為2～33；下同，不再贅述。

圖5(a)中，施工工況4～工況12主要為對(duì)稱張拉中跨近塔處的吊索，張拉次序?yàn)椋篖M19→LM13，即從塔根向跨中方向張拉。在此過(guò)程中，邊跨主纜豎向位移差值最大值從0.2 cm漸漸增至0.7 cm，位移差值的變化量微?。恢锌缰骼|的豎向位移差值最大值隨著施工工況的進(jìn)行從2.1 cm逐漸增加至6.9 cm。以此可知，在施工工況4～工況12過(guò)程中，邊跨主纜位移幾何特性呈現(xiàn)出顯著的線性表現(xiàn)形式，但隨著施工的進(jìn)行，線性特征略有衰減；中跨主纜位移線性特性隨著吊索的張拉而漸漸弱化。

圖5(b)中，施工工況13～工況31為對(duì)稱張拉邊、中跨吊索，張拉順序?yàn)椋篖S1/LM12→LS11/LM2→LM1→M0。在此期間，邊跨主纜豎向位移差值最大值變化歷程為：3.7 cm→9.1 cm→0 cm；中跨主纜豎向位移差值最大值變化歷程為：10.2 cm→20.9 cm→0 cm；由此表明，隨著施工工況13～工況1進(jìn)行，邊、中跨主纜位移幾何特性均依次經(jīng)歷了幾何非線性特性增強(qiáng)、幾何非線性特性弱化、線性特性增強(qiáng)3個(gè)階段。

圖5 吊索張拉過(guò)程中主纜幾何非線性特征圖(單位：cm)

3.2.2臨時(shí)斜拉索拆除過(guò)程中主纜幾何非線性行為表現(xiàn)

采用分次加載法，在吊索張拉完畢后，將臨時(shí)斜拉索殘留的索力等分成2份，歷經(jīng)連續(xù)兩次卸載將其拆除。通過(guò)數(shù)值模擬分析得到在臨時(shí)斜拉索拆除過(guò)程中主纜幾何非線性隨施工工序的行為表征如圖6。

圖6 斜拉索拆除過(guò)程中主纜幾何非線性特征圖(單位：cm)

從圖6可知，在連續(xù)兩次卸載作用下，主纜豎向位移差值的最大值隨施工工況的歷程為：0.7 cm→3.5 cm→0，這表明了在臨時(shí)斜拉索拆除過(guò)程中主纜的幾何非線性呈現(xiàn)出“先由弱到強(qiáng)，再?gòu)膹?qiáng)變?nèi)酢钡淖兓?guī)律，但主纜豎向位移差值的量程較小，且“由弱到強(qiáng)”僅持續(xù)了3個(gè)工況，因此在臨時(shí)拉索拆除過(guò)程中主纜的幾何位移特性以線性為主。

3.2.3主索鞍頂推作用下主纜幾何非線性行為表現(xiàn)

為了明確了解在主索鞍頂推作用下主纜的幾何非線性行為表現(xiàn)，將各頂推量均分成兩份，連續(xù)兩次作用得到各吊點(diǎn)位移差值隨頂推工況的變化曲線如圖7所示。

圖7 頂推工況作用下主纜幾何非線性特征圖(單位：cm)

分析圖7可知，在主索鞍頂推工況中，通過(guò)兩次連續(xù)相同作用，主纜的位移差值波動(dòng)范圍基本在0～1.0 cm之間，這說(shuō)明了在主索鞍頂推作用下，主纜位移特性呈現(xiàn)出顯著的線形特征。從圖中曲線變化趨勢(shì)可以看出，在主索鞍初始作用到最后一次頂推過(guò)程中，主纜的位移差值曲線基本表現(xiàn)出依次下降的變化規(guī)律，表明了主纜位移的線形特征在逐漸增強(qiáng)，這主要是由于隨著吊索的張拉和臨時(shí)斜拉索的拆除，主纜的重力剛度漸漸增大，豎向變形增量減小，主纜位移幾何非線性特性淡化，線性特性增強(qiáng)。

3.2.4成橋狀態(tài)下主纜的幾何非線性行為表現(xiàn)

為了研究主跨為600 m的超大跨自錨式懸索橋在成橋后主纜的幾何非線性行為表現(xiàn)，采用分次加載法，將二期恒載等分為兩份，連續(xù)兩次作用于結(jié)構(gòu)，得到主纜在兩次作用下的變形差值見(jiàn)圖8。

圖8 二期恒載作用下主纜幾何非線性特征圖(單位：cm)

從圖8可看出，將二期恒載均分成2份，連續(xù)兩次作用在主梁上，得到主纜在兩次作用下的豎向位移增量，二者差值的變動(dòng)范圍在-0.2～0.4 cm，表明了超大跨自錨式懸索橋成橋后在恒載作用下主纜的位移表現(xiàn)為強(qiáng)烈的線形特性。

4 結(jié)論

以鵝公巖軌道專用橋?yàn)橐劳?，探討了大跨自錨式懸索橋“斜拉-懸索”體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中主纜的位移特性，得出以下主要結(jié)論：

a.主索鞍頂推使兩主索鞍之間的水平距離減小，即頂推使中跨主纜的水平投影距離減小，中跨主纜呈現(xiàn)出“松弛”狀態(tài)；邊跨主纜水平投影距離增大，邊跨主纜呈現(xiàn)出“緊繃”現(xiàn)象。邊、中跨主纜位移是主索鞍頂推作用和吊索張拉作用的總效應(yīng)。

b.在吊索張拉階段，主纜位移特性主要經(jīng)歷了線性特征顯著、幾何非線性特征增強(qiáng)、幾何非線性特征弱化3個(gè)階段。在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，中跨主纜位移的幾何非線性特性比邊跨更加強(qiáng)烈。

c.在拆除臨時(shí)斜拉索階段，主纜的幾何非線性呈現(xiàn)出“先由弱到強(qiáng)，再?gòu)膹?qiáng)變?nèi)酢钡淖兓?guī)律。

d.在主索鞍頂推及成橋恒載作用下，邊中跨主纜位移呈現(xiàn)出了顯著的線性特征，此時(shí)線彈性疊加原理適用。