南京小龙湾混凝土自锚式悬索桥吊索张拉过程研究

史松磊

(南京市市政设计研究院有限责任公司,江苏南京 210008)

南京小龙湾混凝土自锚式悬索桥吊索张拉过程研究

史松磊

(南京市市政设计研究院有限责任公司,江苏南京 210008)

不同于地锚式悬索桥,自锚式悬索桥先梁后缆的施工方式,使其张拉过程具有显著的可优化性。依托小龙湾自锚式悬索桥工程实例,对自锚式悬索桥张拉过程控制原则、控制目标进行了分析,在满足桥梁结构受力安全的前提下,尽量减少接长杆数量、索鞍顶推次数、千斤顶数量和张拉批次,以较少的人力物力财力和时间来完成吊索张拉方案。建立有限元模型,模拟分析小龙湾大桥张拉全过程,根据吊索张拉安全系数、桥塔及加劲梁允许最大压应力、最小拉应力等指标,提出适用于该桥的张拉控制方案。对比分析了成桥状态与张拉过程中吊索的最大索力,发现在跨中14～16号吊索索力较成桥状态索力有所增加,但均能满足张拉过程吊索安全要求。对吊索张拉过程中桥塔及加劲梁的应力变化规律进行了总结,发现在张拉14～17号吊索时,桥塔、加劲梁等混凝土构件应力发生显著变化。

自锚式悬索桥；吊索张拉；有限元分析；全过程分析；施工控制

0 引言

自锚式悬索桥具有景观性强、不需要修建大体积锚碇、受地质条件限制小、桥型可结合地形灵活布置、主缆水平力可为混凝土加劲梁提供压应力等优点,在中小跨径桥梁方案比选中具有较强的竞争力,近年得到了较快的发展。

地锚式悬索桥梁一般先安装吊索,梁段一般从跨中向两端逐段拼装,已安装好的梁段会随着主缆变形,吊索力的大小基本与其承担的梁段重量相等,随其它梁段的吊装变化不大,吊索的长度基本不变,全桥梁段合拢后及二期恒载施加,一般不对吊索索力进行调整。

与地锚式悬索桥不同,自锚式悬索桥一般采用先梁后缆的施工方式,加劲梁先在支架现浇,现浇完成后的位置与成桥状态位置基本一致,而成桥主缆与空缆状态相差很大,一般空缆会上浮1～2 m,因此按照成桥状态下料制作的吊索长度多数小于空缆状态时索夹至加劲梁锚点的长度,吊索张拉施工时,需用接长杆接长吊索。吊索张拉过程中,考虑到加劲梁的承载能力、桥塔的承载能力、吊索的允许承载力以及施工过程中的张拉设备的数量等因素影响,张拉一般需要分批次逐步张拉,以确保张拉过程中加劲梁、桥塔、吊索的安全。但为了减少时间、人力及财力的消耗,在满足桥塔、加劲梁、吊索等构件安全的情况下,一般应尽量减少吊索的张拉次数,使吊索拉力尽早达到设计状态。

1 工程背景

1.1 主桥总体布置

主桥采用双塔双索面自锚式悬索桥,跨径组合为44 m+96 m+44 m=184 m,道路与现状河道斜交,斜交角度为5°,桥梁为正桥。主桥主塔总高为35.4 m,桥面以上塔高22.6 m,主缆成桥线形采用二次抛物线,中跨矢跨比为1/5.5,主缆横桥向中心距18 m。加劲梁采用现浇预应力混凝土箱梁,梁高1.74～2.0 m。吊索标准间距为5 m,箱梁每5 m设置一横梁与吊索对应。主塔基础采用直径为1.5 m的钻孔灌注桩群桩基础。

主桥桥面为双向4车道,并设置非机动车道及人行道,其断面布置为：3.5 m(人行道含栏杆)+ 3.5 m(非机动车道)+2.5 m(侧分带)+15.5 m(机动车道)+2.5 m(侧分带)+3.5 m(非机动车道)+3.5 m(人行道含栏杆)=34.5 m。

桥梁纵坡为2.82%的对称坡,变坡点位于主桥跨中,设置R=1 350 m竖曲线；桥面横坡为1.5%,通过调整主梁高度来实现,道路中心线处主梁高2.0 m。图1为桥梁总体布置及吊杆编号图。

图1 桥梁总体布置及吊杆编号图(单位:m)

1.2 主缆

主缆采用对称布置,成桥状态下主跨跨度96 m,矢跨比为1/5.5,边跨矢跨比为1/14.8,两主缆缆心横向间距为18 m；设计采用每根主缆由37股预制平行(PPWS)钢丝成品索组成,每股成品索由91丝φ5.1 mm的钢丝组成,标准强度fpk=1 670 MPa。主缆在架设时竖向排列成尖顶的近似正六边形,紧缆后主缆为圆形。其在索夹内直径为326.8 mm (空隙率18%),索夹外直径为330.9 mm(空隙率20%)。

1.3 吊索

全桥吊索共33对66根,两边跨各7对,主跨19对,吊索标准间距5 m,主塔两侧吊索距塔轴线3 m。吊索采用单根109丝φ7.1 mm高强镀锌钢丝组成的成品钢丝索(带PE护套),冷铸锚锚固体系。吊索与索夹采用耳板销接,下端与梁体用冷铸锚锚固于横梁底部,张拉端设在箱梁底部。吊索在与主梁结合处设置防水罩,预埋导管内涂抹防腐油脂,下锚头加保护盖板并注入防腐油脂,并在索管内注入聚氨酯发泡材料。

2 吊杆张拉方案设计

2.1 张拉控制方案原则与控制条件

由于受各种因素的制约,吊索张拉不可能一次完成。在吊索张拉过程中,需要对长度不足的吊索进行接长,并根据张拉过程,不断对桥塔索鞍鞍座进行顶推,以减小桥塔受力。不同的张拉方案对所需接长杆数量、索鞍顶推次数、千斤顶数量各不相同。在满足桥梁结构受力安全的前提下,尽量减少接长杆数量、索鞍顶推次数、千斤顶数量、张拉批次,以较少的人力物力财力和时间来完成吊索张拉方案,是张拉控制方案设计的根本原则。

对于小龙湾大桥,吊杆张拉过程中,为满足桥梁结构安全,应满足以下条件：

(1)尽量减少张拉批次,缩短张拉工期；

(2)吊索安全系数2.0；

(3)桥塔最大拉应力应小于1.3 MPa,最大压应力应小于14.72 MPa；

(4)加劲梁最大拉应力应小于1.3 MPa,最大压应力应小于17.92 MPa。

2.2 张拉方案

为尽量减少接长杆数量和长度,根据有限元计算结果,在桥梁空缆状态下,对索鞍向边跨放向进行预偏,边跨吊索长度均能满足安装戴帽要求。可以先完成边跨1～7号吊索戴帽,在中跨张拉时,采用从桥塔向跨中对称张拉顺序方案。根据计算,若安装吊索无应力长度一次张拉到位,吊杆在张拉过程中最大应力如图2,显然吊索张拉中最大索力是成桥索力2倍,不满足安全要求。根据吊索力的相邻影响特点,采用张拉吊索前后吊索同时分批张拉方案,具体如表1。

表1 吊索张拉顺序方案表

3 吊杆张拉过程模拟

采用有限元软件Midas Civil建立全桥有限元模型,模拟张拉全过程。桥塔、加劲梁采用梁单元模拟,主缆、吊索采用大变形索单元模拟,全桥共210个单元,共217个节点。有限元模型如图2。

图2 桥梁有限元模型图

4 张拉过程分析

4.1 吊杆张拉力对比

从图3吊杆张拉力对比图中可以看出,成桥状态下,吊索索力比较均匀,只是桥塔两侧7号、8号吊杆索力稍大,索力均在1 779～2 194 kN之间。吊索张拉过程中,1-13号、17号吊索最大索力与成桥状态索力基本一致,14～16号吊索最大索力分别为2 801 kN、2 930 kN、2 187 kN，是成桥状态索力的1.42倍、1.48倍、1.1倍,但吊索索力安全系数均大于2,满足施工阶段吊索安全要求。

图3 吊索索力对比图

4.2 桥塔、加劲梁最不利应力

从图4桥塔塔底最不利应力图中可以看出,在张拉阶段1～7中,塔底应力变化较小,说明在1～13号吊索张拉过程中,吊索索力均较小；在张拉阶段8～17中,随着14～17号吊索的张拉,塔底索力迅速增加,最大应力为14.34 MPa(压应力),满足安全要求；随着索鞍的不断顶推,塔底应力逐渐减小,最终塔底最大应力为12.31 MPa(压应力)。在张拉阶段1～9中,桥塔塔底会出现拉应力,最大为-1.16 MPa,满足安全要求。

图4 桥塔塔底最不利应力

从图5中可以看出,在张拉阶段1～8中,加劲梁最大应力、最小应力均变化较小,最大应力为0.4 MPa(压应力),最小应力为-0.17(拉应力),均能满足要求；在张拉阶段9～17中,随着14～17号吊索的相继张拉,主缆拉力迅速增大,其在水平方向产生的分力使加劲梁压应力迅速增加,且最大应力与最小应力均为压应力,且相差较小,说明加劲梁压应力较为均匀,张拉过程中加劲梁最大应力为3.19 MPa(压应力),满足安全要求。

图5 加劲梁最不利应力

5 结语

悬索桥张拉过程是一个复杂的非线性过程,根据有限元分析结果,合理制定张拉方案,可以有效减少张拉批次、接长杆、人力及工期的消耗。根据小龙湾桥的特点,根据有限元分析结论制定张拉方案,整个张拉过程只需4次索鞍顶推,1～13号吊索可以直接完成安装戴帽或张拉戴帽,只有14～17号吊索需要接长杆。与同类型自锚式悬索桥相比,整个张拉过程中索鞍顶推次数和吊杆使用数量都比较合理。

吊索张拉过程中严格遵守张拉原则,使吊索拉力安全系数大于2.0,保证了吊索在张拉过程中的安全；桥塔、加劲梁满足最大压应力、最小拉应力要求,避免了施工过程中桥塔、加劲梁等混凝土构件出现开裂、压坏等情况。

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U448.25

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1009-7716(2015)09-0104-03

2015-04-21

史松磊(1983-),男,山东临沂人,硕士,工程师,主要从事道路与桥梁设计研究工作。