張海順

（1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 300350）

1 引言

鋼桁梁懸索橋在安裝加勁梁的過程中，其線形隨加勁梁的吊裝而不斷發(fā)生改變。初始吊裝加勁梁時，相鄰梁段間的上弦桿成擠壓狀態(tài)，而梁段的下弦桿成分離狀態(tài)。一般情況下，已吊裝的相鄰加勁梁節(jié)段不會立即進(jìn)行剛接，而是讓上弦桿作鉸接連接，下弦桿呈自由狀態(tài)，待加勁梁合龍后，此時相鄰梁段間下弦桿均閉合，再逐步進(jìn)行剛接。

為加快橋梁建造進(jìn)度，在保證加勁梁按照設(shè)計(jì)要求線形架設(shè)的基礎(chǔ)上，提出在吊裝加勁梁進(jìn)行到一定階段后提前進(jìn)入加勁梁節(jié)段間的焊接工作。為了施工方便，同時減少焊縫的初始內(nèi)力，選擇合適的焊接時機(jī)就顯得極為重要，這就是剛接時機(jī)的確定工作，也就是適時剛接法。若過早地提前剛接工作，那么加勁梁和臨時連接就可能會受到過大作用力，無法保證結(jié)構(gòu)安全。剛接時機(jī)的合理確定不僅可以將梁段通過鉸接變剛接的途徑來提高梁段的整體剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性，而且后期的架設(shè)也不會對已剛接的梁段產(chǎn)生較大影響。

適時剛接法是在日本幾座懸索橋中得到了成功應(yīng)用，但在國內(nèi)幾乎沒有應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者較少研究加勁梁焊接時機(jī)。為此，通過以楊泗港長江公路大橋?yàn)橐罁?jù)工程項(xiàng)目［1-2］，對鋼桁梁架設(shè)全過程進(jìn)行仿真分析，以結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移作為參數(shù)，來確定大跨度鋼桁梁懸索橋施工過程中的合理剛接時機(jī)。

2 工程概況

楊泗港長江公路大橋?yàn)橹骺? 700 m的鋼桁梁懸索橋，橋式布置見圖1。主纜采用PPWS法架設(shè)，間距為28.0 m，每根主纜由271股91絲φ6.2 mm的1 960 MPa的高強(qiáng)鋼絲組成。吊索縱向標(biāo)準(zhǔn)間距為18 m，索塔中心線至近吊點(diǎn)間距為22 m。每個吊點(diǎn)均設(shè)置2組吊索，每根吊索采用φ84 mm-1 960 MPa的鋼絲繩，結(jié)構(gòu)形式為8×55SWS＋I(xiàn)WR。主跨鋼桁梁分49個梁段，類型為JJL1～JJL4四種，從漢陽側(cè)至武昌側(cè)連續(xù)編號為GH24～GH1～G0～GW1～GW24。主桁架的桁高10 m，主桁橫向間距為28 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長為9 m，橋塔附近各兩個節(jié)間長為10 m［3-5］。板桁組合結(jié)構(gòu)鋼桁梁斷面圖見圖2。

圖1 主橋總體布置（單位：m）

圖2 板桁組合結(jié)構(gòu)鋼桁梁斷面圖（單位：cm）

施工步驟依次為主塔、錨碇施工、兩索鞍向邊跨預(yù)偏2.525 m安裝、架設(shè)貓道和主纜、安裝吊索和纜載吊機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段加勁梁采用2臺900 t纜載吊機(jī)配合吊裝，橋塔處節(jié)段利用單臺纜載吊機(jī)蕩移法施工，基本按照由跨中向兩端對稱架設(shè)加勁鋼桁梁、采用“適時鉸接法＋部分配重”的方案施工，即已吊裝好的梁段間上弦桿用臨時連接進(jìn)行連接，適時進(jìn)行梁段間下弦桿的連接施工，在已架設(shè)完成梁段的下層橋面上采用水袋壓重來減少二期恒載對加勁梁產(chǎn)生的附加壓力，分三次將主索鞍向跨中頂推到位，采用預(yù)偏法進(jìn)行加勁鋼桁梁合龍，并拆除臨時連接后進(jìn)行全焊處理、二期鋪裝后成橋［6-8］。

3 仿真分析介紹

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)武漢楊泗港長江公路大橋設(shè)計(jì)和施工資料，建立鋼桁梁懸索橋仿真模型，橋塔利用梁單元進(jìn)行模擬，主纜和吊索采用索單元模擬，主索鞍利用溫度桿實(shí)現(xiàn)鎖定和頂推工況，全焊結(jié)構(gòu)的加勁梁中桁架弦桿和腹桿采用梁單元模擬，橋面板采用殼單元模擬，纜載吊機(jī)自重采用集中力形式施加，配重和二期恒載利用面均布荷載形式施加。結(jié)構(gòu)錨碇處、橋塔塔底均設(shè)固定約束。塔梁交界處設(shè)豎向支撐、橫向限位約束、縱向設(shè)阻尼器［9-10］。鋼桁梁懸索橋有限元模型見圖3。

圖3 鋼桁梁懸索橋有限元模型

3.2 適時剛接法中臨時連接的仿真模擬

適時剛接法，即初始相鄰節(jié)段上弦鉸接，使之既能有一定的活動性又不發(fā)生較大位移、保證一定的穩(wěn)定性，此時下弦桿開口較大，不作處理，隨著后續(xù)節(jié)段的吊裝，主纜受力變形，已架設(shè)的節(jié)段下弦桿開口會逐漸減小直至相互抵觸，此時滿足了剛接的條件，將原來的臨時連接去除改為剛接。這種方法滿足穩(wěn)定與受力需求，適合應(yīng)用于鋼桁架加勁梁吊裝，但在監(jiān)控計(jì)算時必須嚴(yán)密觀察相鄰節(jié)段節(jié)點(diǎn)距離，判斷剛接時機(jī)。

架梁過程中兩鋼桁梁間臨時連接在有限元模型中，利用距離很近的分別屬于相鄰梁段的兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接來模擬。上弦桿僅鉸接時通過耦合平面自由度釋放轉(zhuǎn)動自由度來實(shí)現(xiàn)，下弦桿自由時通過不進(jìn)行連接來實(shí)現(xiàn)，下弦桿單向鉸接時通過耦合兩節(jié)點(diǎn)縱向自由度來實(shí)現(xiàn)，上下弦桿和斜桿剛結(jié)時通過耦合全部自由度來實(shí)現(xiàn)。臨時連接的剛度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況推算確定，且確保在有限元模型中驗(yàn)證無交叉滲入現(xiàn)象［11-12］。

4 合理剛接時機(jī)的確定

4.1 鋼桁梁安裝基本情況

在加勁梁的施工過程中，吊裝過程不僅要保證加勁梁的線形適應(yīng)主纜的變形，還要保證在此過程中不引起較大的應(yīng)力。以楊泗港長江公路大橋?qū)嶋H采用的“適時鉸接法＋部分配重”的鋼桁梁臨時連接架梁方法為基礎(chǔ)，擴(kuò)展研究“適時剛接法＋部分配重”的方案，模型經(jīng)過多次計(jì)算分析，按照如表1所示的安裝工序，給出了架梁全過程中每一鋼桁梁段合理剛接時機(jī)。表中架設(shè)G1表示對稱架設(shè)GH1和GW1兩梁段，K1表示G0與G1梁段間的連接，K24為G23與G24梁段間的連接。

表1 適時剛接法＋部分配重連接方式下的推薦架梁順序

4.2 適時剛接法分析說明

重點(diǎn)以漢陽側(cè)半幅橋梁進(jìn)行分析，以鋼桁梁GH1～GH2之間連接K2的合理剛接時機(jī)進(jìn)行說明，其余梁段之間剛接的分析方法雷同。斷面判定剛接時機(jī)的構(gòu)件編號如圖4所示。GH1梁段上弦桿編號為5～9，下弦桿編號為10～14，其上吊索編號為DS45和DS46。

圖4 判定剛接時機(jī)構(gòu)件編號

確定合理剛接時機(jī)主要依據(jù)各種不同時機(jī)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，依據(jù)“適時鉸接法＋部分配重”計(jì)算相關(guān)結(jié)果作為參照點(diǎn)，主要以吊索索力、鋼桁梁上下弦桿軸應(yīng)力和臨時連接拉壓力三個比選參數(shù)進(jìn)行分析。判定標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)某一時機(jī)兩相鄰鋼桁梁適時剛接時，關(guān)于上述已架設(shè)完的鋼桁梁的三項(xiàng)參數(shù)，在之后架梁過程中是否超出“適時鉸接法＋部分配重”計(jì)算相關(guān)結(jié)果，若超出則判定是否滿足安全要求，若滿足則剛接時機(jī)合理，反之則剛接不合理。

4.3 分析GH1～GH2間K2合理剛接時機(jī)

將G0～GH1斷面進(jìn)行剛接后，研究GH1～GH2間合理剛接時機(jī)。GH1～GH2之間合理的剛接時機(jī)的起始點(diǎn)架梁GH15，此時GH1～G2節(jié)段間下弦桿開口角等于零，結(jié)束點(diǎn)是架梁GH22，之間每架設(shè)一節(jié)段梁可分別進(jìn)行計(jì)算。故由下面三個時機(jī)進(jìn)行分析：

時機(jī)1：采用適時鉸接法，架梁GH15后GH1～GH2下弦桿鉸接，待全橋合龍后剛接（實(shí)橋采用，剛接最晚）。

時機(jī)2：采用適時剛接法，架梁GH15后GH1～GH2斷面剛接（剛接最早）。

時機(jī)3：采用適時剛接法，架梁GH22后GH1～GH2斷面剛接（合龍前最晚的有效剛接）。

4.3.1 通過跨中吊索軸力進(jìn)行剛接時機(jī)判定

三個剛接時機(jī)下跨中吊索DS45、DS46、DS47的索力值變化見圖5。

圖5 判斷GH1～GH2斷面剛接時機(jī)

可以看出，三種剛接時機(jī)吊索索力待全橋剛接、二期荷載施加、懸索橋成橋時吊索索力均相同。DS45、DS46、DS47吊索索力在架梁過程中未剛接K2時，其索力保持穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)行 K2處剛接時，DS45和DS47索力較大幅度下降，DS46索力提前接近成橋吊索索力，安全系數(shù)均滿足要求，故提前剛接K2對DS45和DS47吊索索力有利，對DS46吊索索力有無較大影響，可以初判時機(jī)2為最佳剛接時機(jī)。

4.3.2 通過上下弦桿軸向應(yīng)力判定剛接時機(jī)

三個剛接時機(jī)下加勁梁GH1上弦桿單元5、下弦桿單元10，G0上弦桿單元1、下弦桿單元3的軸向應(yīng)力見圖6?？梢钥闯?，三種時機(jī)下各單元的軸向應(yīng)力存在一些差異，但均滿足構(gòu)件受力要求。從應(yīng)力數(shù)值上來看，剛接時機(jī)的早晚對上下弦桿的應(yīng)力不起決定作用。隨著架梁工作的進(jìn)行，其數(shù)值逐漸降低回歸至與適時鉸接法數(shù)值相同。因此以上下弦桿軸應(yīng)力為參考點(diǎn)并不能直接判定剛接時機(jī)，但從提前將加勁梁整體剛度提高而言，時機(jī)2為最佳剛接時機(jī)。

圖6 判斷GH1～GH2斷面剛接時機(jī)

4.3.3 通過已剛接的K1連接軸力判定剛接時機(jī)

三個剛接時機(jī)下加勁梁G0與GH1間臨時連接K1已剛結(jié)，其上、下弦桿的連接軸向力變化見圖7，判斷GH1～GH2斷面剛接時機(jī)。可以看出，對于已剛接K1的連接力，剛接K2越早對K1越使其提前接近成橋狀態(tài)階段。但在連接力數(shù)值上不起絕對作用。隨著架梁工作的進(jìn)行，其數(shù)值逐漸降低回歸至與適時鉸接法數(shù)值相同。因此以已剛接的K1連接軸力為參考點(diǎn)并不能直接判定剛接時機(jī)，但從提前將加勁梁整體剛度提高而言，時機(jī)2為最佳剛接時機(jī)。

圖7 判斷GH1～GH2斷面剛接時機(jī)

4.4 適時剛接法與實(shí)際采用的施工方法對比分析

綜合比較適時剛接法與實(shí)際采用的逐步鉸接法＋部分配重方法，其優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 連接方式對比

原則上，下弦桿的臨時連接完成后，可進(jìn)行焊接工作，即吊裝新鋼桁梁段和焊接已閉合鋼桁梁段工作可以同步進(jìn)行。通過以上數(shù)值模擬分析，楊泗港長江公路大橋可以采取適時剛接法進(jìn)行加勁梁間的連接工作，但考慮到吊裝和焊接同步施工會導(dǎo)致施工組織相對繁瑣、加勁梁合龍后還需調(diào)整線形，故武漢楊泗港長江公路大橋在全橋加勁梁合龍、線形調(diào)整完成后才開始全橋的焊接工作。

5 結(jié)論

通過合理剛接時機(jī)的研究，適時剛接法在大跨度鋼桁梁懸索橋中可以應(yīng)用，并且可保證設(shè)計(jì)線形和結(jié)構(gòu)安全。通過分析得到以下結(jié)論：

（1）對比適時鉸接法，適時剛接法不僅可以降低吊索的承受荷載，并且可以提高主梁在施工過程中的整體剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（2）合理剛接時機(jī)是下弦桿開口角等于零的架梁階段，剛接后的后續(xù)架梁對已固結(jié)的梁段的上下弦桿和剛結(jié)點(diǎn)有一定的影響，但是都不超過該處的最大承受荷載。

（3）適時剛接法之所以在國內(nèi)應(yīng)用較少，是因?yàn)榧芰汉淆埡筮€要對主梁線形進(jìn)行調(diào)整，這是目前施工工藝所限。若通過高準(zhǔn)確度的分析計(jì)算和現(xiàn)場量測反饋綜合研究，可以確保線形滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，焊接與架梁工作可同步進(jìn)行，可有效縮短工期。