懸索橋主索鞍偏量控制有限元分析

朱紅明，宗 偉，廖文濤，葉恒梅

（1. 湖北路橋集團有限公司，湖北 武漢 430074；2. 湖北交通職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430074；3. 中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430040）

引言

懸索橋主索鞍是主纜與主塔之間重要的傳力構件，在鋼桁梁架設過程中，主索鞍頂推是保障結構安全的重要措施。在懸索橋施工過程中，為了避免主索鞍的鞍頭擺脫與鞍座的摩擦力出現(xiàn)較大滑移，通常不允許主索鞍自由滑動，采用臨時固接鞍頭和鞍座的方式。鋼桁梁架設過程中，隨著跨中梁段數(shù)目的增加，中跨主纜水平分力逐漸增大，塔頂受力不平衡將會向跨中傾斜來抵消不平衡力。若塔頂位移超過安全范圍，塔底可能會出現(xiàn)拉應力，因此為保證結構的安全，使成橋階段索塔左右端主纜的水平方向分力處于平衡狀態(tài)，一般將主索鞍向邊跨預偏一定距離，并且需要在鋼桁梁架設以及橋面系等二期恒載施工過程中對主索鞍采用頂推施工。主索鞍的頂推時間和頂推量是否合理關系到主塔安全性。

1 工程概況

白洋長江公路大橋是單跨鋼桁梁懸索橋，其主跨為1 000 m，主纜跨度采用276 m+1 000 m+269.5 m布置，兩岸錨碇均采用重力式錨，其中北岸錨碇采用嵌巖錨，引橋采用三聯(lián)9 跨30 m 裝配式預應力混凝土T 梁。橋面采用組合梁橋面系，主跨矢跨比1/9。中跨兩根主纜間的中心橫向間距為36.0 m，沿縱橋向吊索的間距為15 m。白洋長江公路大橋主橋橋型布置見圖1。

圖1 白洋長江公路大橋主橋橋型

主桁架的中心間距為36 m，桁高為7.5 m，鋼桁梁標準節(jié)段節(jié)間長7.5 m，2 個節(jié)間（15 m）設一吊索吊點，4 個節(jié)間作為一節(jié)段現(xiàn)場整體吊裝，標準節(jié)段吊裝長度30 m；靠近主塔的端部節(jié)段節(jié)間長6 m，架設長度15.26 m；中跨跨中鋼桁梁節(jié)段架設長度10.58 m。其中跨中到北岸共19 個節(jié)段，跨中到南岸共19 個節(jié)段，標準鋼桁梁段重量約為303 t，最大節(jié)段架設重量約為430 t（含橋面系鋼縱-橫梁約74.1 t及附屬結構件52 t）。

2 主索鞍自由滑移量及各施工階段偏量值的計算

2.1 有限元模型建立

通過有限元軟件Midas/Civil 建立白洋長江大橋全橋空間有限元模型，有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

2.2 主索鞍偏量計算

與成橋階段相比，懸索橋施工階段的穩(wěn)定性會更差，在各施工階段過程中都可能出現(xiàn)較大的位移。因此，為了對各階段的主索鞍累計自由滑移量進行計算，利用有限元軟件Midas/Civil 建立的成橋模型進行逆施工階段分析，選取了6 個施工階段見圖3。

圖3 逆施工階段順序

在懸索橋的成橋階段設計中，一般使懸索橋索塔頂端處于力的平衡狀態(tài)，所以成橋階段索塔不產(chǎn)生彎矩。施工時如果將主纜直接架設在與成橋階段相同跨長的索塔上，則施工后索塔頂端在水平方向的力處于不平衡狀態(tài)，主纜將向中間跨滑動或索塔頂端向中間跨方向發(fā)生水平位移。因此，通常將主索鞍向岸側設置一定偏量，從而確保主塔在成橋時兩根主纜的水平力位于平衡狀態(tài)。成橋階段主塔偏位、梁單元內(nèi)力見圖4、圖5。

圖4 主塔偏位

圖5 梁單元內(nèi)力

在上部結構施工之前，對主索鞍設置偏量，隨著上部結構施工的進展，主索鞍預偏量值不斷減小，成橋后主索鞍預偏量減至零。通過有限元分析計算得到主索鞍在各個階段的預偏量。主索鞍偏量設置均向邊跨偏移，各施工階段的主索鞍偏量值變化曲線見圖6，主索鞍偏量值見表1。

圖6 各施工階段的主索鞍偏量值變化曲線

表1 主索鞍偏量值

3 主索鞍頂推時機及頂推量的確定

在鋼桁梁架設施工和橋面系等二期恒載施工過程中，為了保證主塔應力不大于設計容許值，并且讓主塔在成橋后處于良好受力狀態(tài)，須在安設主纜前將主索鞍向邊跨側設置一定偏量。根據(jù)對主索鞍偏量計算，白洋岸設置為1 521 mm，宜都岸設置為1 482 mm。根據(jù)主索鞍理論自由滑移量、主塔塔身截面應力及主塔塔頂偏位狀態(tài)確定大節(jié)段鋼桁梁整體架設主索鞍的頂推時機和頂推量。由于白洋橋跨度較大，設置的偏量也較大，因此在鋼桁梁架設以及橋面系等施工進程中制定了6 次頂推方案：安裝吊索后進行第一次頂推、架設B16’節(jié)段鋼桁梁后進行第二次頂推、架設B11’節(jié)段鋼桁梁后進行第三次頂推、鋪設中間6 塊橋面板后進行第四次頂推、鋪設跨中至1/4 跨部分橋面板后進行第五次頂推、全橋成橋后即完成橋面板鋪設后進行第六次頂推。主索鞍頂推時機及頂推量見表2。

表2 主索鞍頂推時機及頂推量

4 主索鞍偏量控制效果

從結構受力角度來看，所制定的主索鞍的頂推時機及頂推量是合理的，結合實際施工調(diào)整后的階段頂推量滿足索塔受力安全要求。表3 列出了主索鞍理論頂推量、實際頂推量及兩者之間的差值。白洋岸和宜都岸頂推量曲線見圖7、圖8。

表3 主索鞍理論頂推量與實際頂推量對比

圖7 白洋岸主索鞍頂推量曲線

從表3 看出，擬定的頂推量與實際的頂推量大致相同，主塔塔頂偏位的控制值誤差較小，最大偏差在10 mm 左右，誤差在施工可控制的范圍之內(nèi)，整個頂推施工過程主塔受力安全。

5 結語

通過計算得出了主索鞍自由滑移量及各施工階段預偏量，確定了在整個施工過程中主索鞍分六次頂推的施工方案以及主索鞍的頂推量與頂推時機，并結合主索鞍的實際頂推施工，對比分析每一個頂推階段的頂推量與擬定值的偏差，表明了擬定的頂推方案是合理的。

圖8 宜都岸主索鞍頂推量曲線