劉邦，劉建，柯紅軍

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工主要分為主纜架設(shè)階段(從裸塔開始到主纜的空纜狀態(tài))和鋼箱梁吊裝階段(從主纜空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài))。目前，雙塔單跨懸索橋鋼箱梁吊裝架設(shè)主流方案分為從跨中向兩主塔方向?qū)ΨQ吊裝、從主塔向跨中方向?qū)ΨQ吊裝2種方案，施工中根據(jù)工程背景選擇合適的吊裝方案。鐘繼衛(wèi)通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算難度，對(duì)鋼箱梁吊裝進(jìn)行精細(xì)化處理，提高了計(jì)算精度；姜軍等為消除施工誤差對(duì)鋼箱梁吊裝的影響，提出了反饋控制分析法；韋世國(guó)、劉曉濤等分別研究了鋼箱梁吊裝的線形變化和聯(lián)合研制的新型全液壓跨纜吊機(jī)施工，確保了鋼箱梁的合理吊裝；李永樂(lè)等采用梁?jiǎn)卧M法、平均剛度法及臨時(shí)鉸接法模擬加勁梁吊裝過(guò)程中的臨時(shí)連接，再利用其動(dòng)力特性進(jìn)行分析比選；鄭憲政從節(jié)段的臨時(shí)連接著手，分析了懸索橋鋼箱梁架設(shè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)靜力特性及其變化，并簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)了幾類架設(shè)方法。但現(xiàn)有研究對(duì)不同吊裝方案下主纜線形、標(biāo)高控制、吊索拉力及下翼緣板開口距等控制參數(shù)的分析還不夠。該文以重慶太洪長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃岢?種鋼箱梁吊裝架設(shè)方案，按照倒拆分析法模擬逆施工過(guò)程，對(duì)主纜線形、標(biāo)高、吊索拉力及下翼緣板開口距等控制參數(shù)進(jìn)行分析，確定合理的鋼箱梁吊裝方案。

1 工程概況

重慶太洪長(zhǎng)江大橋采用主跨808 m懸索橋方案，矢跨比1/10。主塔為門式框架結(jié)構(gòu)，索塔總高度為185.68 m，塔柱采用普通鋼筋砼結(jié)構(gòu)。主纜的孔跨布置為(190+808+260)m，中跨為懸吊結(jié)構(gòu)。主纜橫橋向中心間距為34 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m。索塔中橫梁處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座、豎向支座和縱向阻尼器。加勁梁兩端各設(shè)一道伸縮縫，其不受約束的伸縮量為±800 mm。加勁梁采用流線型扁平鋼箱梁，箱梁中心線處高3.0 m(不含頂、底板厚度)，全寬39.6 m(含風(fēng)嘴)。汽車荷載等級(jí)為公路一級(jí)。全橋加勁梁共5種類型(A、B、C、D、E)、68個(gè)梁段，其中A類標(biāo)準(zhǔn)梁段64個(gè)，長(zhǎng)12 m，重201.5 t；合龍段B、C各1個(gè)，長(zhǎng)9 m，重151.7 t；端節(jié)段D和E各1個(gè)，長(zhǎng)度分別為9.2、10.8 m，重量分別為172.8、193.4 t。梁段分布見(jiàn)圖1。

圖1 重慶太洪長(zhǎng)江大橋梁段劃分示意圖(單位：cm)

2 鋼箱梁吊裝方案比選

2.1 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼箱梁吊裝過(guò)程中，由于單元、荷載、邊界條件及工況變化復(fù)雜，常規(guī)解析方法已不適用，需采用非線性有限元進(jìn)行分析。使用MIDAS/Civil軟件，考慮幾何非線性因素構(gòu)建有限元模型，主纜和吊索采用索單元模擬，主塔和鋼箱梁采用梁?jiǎn)卧M，對(duì)鞍座、吊索和鋼箱梁的臨時(shí)連接作細(xì)化模擬。

(1)鞍座與主纜的連接模擬。主纜與鞍槽連接處是一段圓弧線，與索鞍有2個(gè)切點(diǎn)。在鞍座位移變化過(guò)程中，主纜鞍座的相對(duì)位置變化直接影響主纜線形和鞍座的偏位。采用梁?jiǎn)卧M鞍座，可將懸鏈線單元模擬的多分段主纜與鞍座設(shè)置成一段只受壓的接觸單元(見(jiàn)圖2)。

圖2 主纜與鞍座的接觸模擬

(2)吊索模擬。每吊點(diǎn)處均設(shè)有2根吊索，在模型中簡(jiǎn)化成一個(gè)只受拉桁架單元，該單元兩端各有一個(gè)沿單元坐標(biāo)系X軸方向的自由度。

(3)梁段之間的連接模擬。鋼箱梁吊裝前期相鄰梁端頂板通過(guò)臨時(shí)鉸接連接，底板不連接，梁段間可發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。采用剛臂單元模擬箱梁截面，在相鄰箱梁?jiǎn)卧g釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束，剛臂單元下端用只受壓?jiǎn)卧M箱梁底板間可以開口但不能被壓縮的單向變形(見(jiàn)圖3)。

圖3 梁段間的連接模擬

2.2 鋼箱梁吊裝方案

目前，主流懸索橋鋼箱梁吊裝順序分為兩種：一是從跨中向兩主塔側(cè)方向進(jìn)行吊裝，最后在靠近主塔處某一位置合龍，該方案有2個(gè)合龍段；二是從兩主塔側(cè)向跨中方向?qū)ΨQ吊裝，最后在跨中處合龍，該方案只有1個(gè)合龍段。受枯水期水位的影響，重慶太洪長(zhǎng)江大橋靠近兩主塔側(cè)的幾片鋼箱梁無(wú)法通過(guò)運(yùn)駁船運(yùn)輸至指定地點(diǎn)豎直起吊，經(jīng)綜合考慮，在上面2種主流方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出3種鋼箱梁吊裝方案進(jìn)行比選。

2.2.1 從跨中向兩主塔吊裝

該方案利用跨纜吊機(jī)、臨時(shí)吊索、牽引索和牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)采用蕩移吊裝的方法將S33、N33梁段吊裝至中橫梁上，通過(guò)運(yùn)駁船將S1、N1梁段運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫每缋|吊機(jī)豎直起吊至指定位置，然后依次將剩余鋼箱梁對(duì)稱吊裝，兩片相鄰梁段間采用臨時(shí)鉸接，合龍段為S34、N34梁段(見(jiàn)圖4)。

圖4 方案一鋼箱梁總體吊裝流程

2.2.2 從兩主塔側(cè)向跨中吊裝

該方案受南北兩岸水位條件的影響較大，先將靠近主塔側(cè)4～5片鋼箱梁(S33、S34、S32～S30、N33、N34、N32～N30)利用跨纜吊機(jī)、臨時(shí)吊索、牽引索和牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)采用蕩移吊裝的方法吊裝至相應(yīng)位置，再通過(guò)跨纜吊機(jī)的豎直起吊將剩下梁段依次向跨中對(duì)稱吊裝，兩片相鄰梁段間采用臨時(shí)鉸接，合龍段為S1、N1梁段(見(jiàn)圖5)。

圖5 方案二鋼箱梁總體吊裝流程

2.2.3 先從兩側(cè)向跨中，再跨中向兩側(cè)吊裝

該方案為優(yōu)化版的方案一和方案二。先將靠近主塔側(cè)的幾片鋼箱梁(S33、S34、S32～S28、N33、N34、N32～N28)吊裝到位，再?gòu)目缰邢騼芍魉?cè)對(duì)稱吊裝S26～S1、N26～N1梁段，兩片相鄰梁段間采用臨時(shí)鉸接，合龍段為S27、N27梁段(見(jiàn)圖6)。

圖6 方案三鋼箱梁總體吊裝流程

2.3 控制參數(shù)比較

2.3.1 主纜標(biāo)高控制

在鋼箱梁吊裝階段，隨著主跨荷載的增加，主纜的彈性伸長(zhǎng)量和主塔的水平偏位增加，相應(yīng)地主纜和鋼箱梁的標(biāo)高發(fā)生變化。在吊裝階段，著重選取主跨跨中L/4、L/2、3L/4處標(biāo)高作為控制點(diǎn)，其中主跨跨中L/2處的標(biāo)高更能反映變化規(guī)律。圖7為3種吊裝方案下主纜跨中標(biāo)高的變化。由于鋼箱梁的吊裝順序不同，主纜的受力也不同，直接表現(xiàn)在主纜線形標(biāo)高上，方案一和方案二的主纜跨中標(biāo)高線形變化較簡(jiǎn)單，方案一主纜跨中標(biāo)高先減小再增大，方案二則相反即先增大再減??；方案三主纜跨中標(biāo)高先增大后迅速減小再平緩增大。

圖7 不同吊裝方案下主纜跨中標(biāo)高的變化

2.3.2 吊索拉力

鋼箱梁吊裝過(guò)程中吊索拉力不斷變化，可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控得到。對(duì)比3種吊裝方案下鋼箱梁吊裝期間吊索拉力的變化，可大致得出鋼箱梁的受力狀態(tài)，其中每根吊索拉力都是該吊點(diǎn)的2根索力之和。如圖8所示，方案一吊裝初期吊索拉力初始值較大，隨著鋼箱梁的不斷對(duì)稱吊裝，吊索拉力趨于平穩(wěn)，在合龍?zhí)幍跛骼Τ霈F(xiàn)小范圍突變；方案二和方案三的索力分布大致接近，吊裝初期，方案二在兩側(cè)吊裝鋼箱梁比方案三多，兩側(cè)吊索拉力偏大，進(jìn)入吊裝后期，2種方案均趨于平穩(wěn)，在合龍?zhí)幩髁Τ霈F(xiàn)小范圍突變。

圖8 不同吊裝方案下吊索拉力分布

2.3.3 鋼箱梁下翼緣開口距

在鋼箱梁吊裝階段，隨著鋼箱梁荷載的增加，主纜線形變化較大，鋼箱梁線形也發(fā)生變化。在吊裝初期，鋼箱梁線形表現(xiàn)為凹曲線，隨著鋼箱梁的吊裝，鋼箱梁線形變化為凸曲線，最后達(dá)到設(shè)計(jì)成橋線形。為避免梁段間產(chǎn)生較大彎曲次內(nèi)力，相鄰梁段間上翼緣板采用臨時(shí)鉸接，下翼緣板開口可變化。

如圖9所示，跨中處和靠近主塔處的梁段間下翼緣開口距較大。方案一中下翼緣開口距的最大值56 mm出現(xiàn)在跨中處，從跨中向兩側(cè)開口距逐漸減小直至閉合。方案二與之相反，下翼緣開口距的最大值51 mm出現(xiàn)在靠近主塔處，從主塔側(cè)向跨中下翼緣開口距逐漸減小直至閉合。方案三由于其吊裝順序的復(fù)雜性，跨中處和主塔處的下翼緣板開口距均較大，但跨中下翼緣開口距的最大值只有45 mm，與方案一相比有所減小，變化規(guī)律也是從跨中向兩側(cè)逐漸減小直至閉合。

圖9 不同吊裝方案下翼緣開口距最大值分布

2.4 吊裝方案的確定

通過(guò)對(duì)3種吊裝方案下梁段間下翼緣板開口距、吊索拉力最大值、主纜線形標(biāo)高等控制參數(shù)及工期、施工難度、合龍段誤差的對(duì)比分析(見(jiàn)表1)，選出最合適的吊裝方案。

從表1可看出:方案一雖然在施工難度、梁段間下翼緣開口距和主纜線形變化規(guī)律方面具有優(yōu)勢(shì)，但由于在吊裝橋塔側(cè)鋼箱梁時(shí)河道航運(yùn)無(wú)法滿足駁運(yùn)條件，需等到豐水期后才能吊裝，導(dǎo)致無(wú)法按工期施工。方案二雖然可按工期施工，但在吊裝至合龍段處時(shí)梁段間高差較大且不易控制，導(dǎo)致合龍難度加大。方案三在吊裝前期可通過(guò)蕩移吊裝方式解決靠近主塔側(cè)的鋼箱梁吊裝，后續(xù)鋼箱梁吊裝可按工期正常進(jìn)行，雖然施工難度稍大，但通過(guò)合理的連接裝置可滿足施工要求，既可解決施工工期問(wèn)題，又可將鋼箱梁在吊裝合龍段處梁段間的高差控制在合理范圍內(nèi)。綜合比選，選定方案三為最終方案。

表1 3種吊裝方案控制參數(shù)對(duì)比

目前，重慶太洪長(zhǎng)江大橋通車在即，全橋已順利通過(guò)荷載試驗(yàn)。采用方案三進(jìn)行鋼箱梁吊裝，全橋的目標(biāo)成橋線形與監(jiān)控理論線形誤差很小(見(jiàn)圖10)，在合理范圍內(nèi)，該方案為最合理的吊裝方案。

圖10 吊裝后成橋線形

3 結(jié)論

根據(jù)大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以重慶太洪長(zhǎng)江大橋?yàn)槭┕け尘?，提?種鋼箱梁吊裝方案，經(jīng)過(guò)比選，選定方案三為最終方案。主要結(jié)論如下：

(1)鋼箱梁吊裝初期，由于主纜變化明顯，梁段的增加對(duì)下翼緣開口距變化的影響較大，會(huì)出現(xiàn)波浪狀的彎折變化且開口距均較大，最大值51 mm；進(jìn)入吊裝后期，開口距逐漸減小直至閉合，合龍段附近開口距出現(xiàn)正負(fù)交替波動(dòng)現(xiàn)象。

(2)鋼箱梁吊裝架設(shè)過(guò)程中，隨著荷載的不斷累積，主纜線形和鋼箱梁線形發(fā)生變化，主纜線形的跨中標(biāo)高呈現(xiàn)先迅速上升后逐漸下降至平緩的趨勢(shì)；鋼箱梁線形初期表現(xiàn)為較明顯的凹曲線，隨著鋼箱梁的不斷吊裝，線形逐漸變化為凸曲線，進(jìn)入吊裝后期線形呈現(xiàn)為目標(biāo)成橋線形。

(3)每根吊索拉力都是該吊點(diǎn)的2根索力之和，吊索拉力在鋼箱梁吊裝架設(shè)前期變化較大，達(dá)到1 930 kN；隨著鋼箱梁的吊裝，吊索拉力變化逐漸趨于平緩并維持在1 920 kN左右；吊裝后期，在合龍段處會(huì)呈現(xiàn)峰值突變現(xiàn)象，達(dá)到2 000 kN左右。