悬索桥主索鞍偏量控制有限元分析

2021-04-06朱红明廖文涛叶恒梅

山东交通科技 2021年1期

朱红明，宗伟，廖文涛，叶恒梅

（1. 湖北路桥集团有限公司，湖北武汉 430074；2. 湖北交通职业技术学院，湖北武汉 430074；3. 中建三局集团有限公司，湖北武汉 430040）

引言

悬索桥主索鞍是主缆与主塔之间重要的传力构件，在钢桁梁架设过程中，主索鞍顶推是保障结构安全的重要措施。在悬索桥施工过程中，为了避免主索鞍的鞍头摆脱与鞍座的摩擦力出现较大滑移，通常不允许主索鞍自由滑动，采用临时固接鞍头和鞍座的方式。钢桁梁架设过程中，随着跨中梁段数目的增加，中跨主缆水平分力逐渐增大，塔顶受力不平衡将会向跨中倾斜来抵消不平衡力。若塔顶位移超过安全范围，塔底可能会出现拉应力，因此为保证结构的安全，使成桥阶段索塔左右端主缆的水平方向分力处于平衡状态，一般将主索鞍向边跨预偏一定距离，并且需要在钢桁梁架设以及桥面系等二期恒载施工过程中对主索鞍采用顶推施工。主索鞍的顶推时间和顶推量是否合理关系到主塔安全性。

1 工程概况

白洋长江公路大桥是单跨钢桁梁悬索桥，其主跨为1 000 m，主缆跨度采用276 m+1 000 m+269.5 m布置，两岸锚碇均采用重力式锚，其中北岸锚碇采用嵌岩锚，引桥采用三联9 跨30 m 装配式预应力混凝土T 梁。桥面采用组合梁桥面系，主跨矢跨比1/9。中跨两根主缆间的中心横向间距为36.0 m，沿纵桥向吊索的间距为15 m。白洋长江公路大桥主桥桥型布置见图1。

图1 白洋长江公路大桥主桥桥型

主桁架的中心间距为36 m，桁高为7.5 m，钢桁梁标准节段节间长7.5 m，2 个节间（15 m）设一吊索吊点，4 个节间作为一节段现场整体吊装，标准节段吊装长度30 m；靠近主塔的端部节段节间长6 m，架设长度15.26 m；中跨跨中钢桁梁节段架设长度10.58 m。其中跨中到北岸共19 个节段，跨中到南岸共19 个节段，标准钢桁梁段重量约为303 t，最大节段架设重量约为430 t（含桥面系钢纵-横梁约74.1 t及附属结构件52 t）。

2 主索鞍自由滑移量及各施工阶段偏量值的计算

2.1 有限元模型建立

通过有限元软件Midas/Civil 建立白洋长江大桥全桥空间有限元模型，有限元模型见图2。

图2 有限元模型

2.2 主索鞍偏量计算

与成桥阶段相比，悬索桥施工阶段的稳定性会更差，在各施工阶段过程中都可能出现较大的位移。因此，为了对各阶段的主索鞍累计自由滑移量进行计算，利用有限元软件Midas/Civil 建立的成桥模型进行逆施工阶段分析，选取了6 个施工阶段见图3。

图3 逆施工阶段顺序

在悬索桥的成桥阶段设计中，一般使悬索桥索塔顶端处于力的平衡状态，所以成桥阶段索塔不产生弯矩。施工时如果将主缆直接架设在与成桥阶段相同跨长的索塔上，则施工后索塔顶端在水平方向的力处于不平衡状态，主缆将向中间跨滑动或索塔顶端向中间跨方向发生水平位移。因此，通常将主索鞍向岸侧设置一定偏量，从而确保主塔在成桥时两根主缆的水平力位于平衡状态。成桥阶段主塔偏位、梁单元内力见图4、图5。

图4 主塔偏位

图5 梁单元内力

在上部结构施工之前，对主索鞍设置偏量，随着上部结构施工的进展，主索鞍预偏量值不断减小，成桥后主索鞍预偏量减至零。通过有限元分析计算得到主索鞍在各个阶段的预偏量。主索鞍偏量设置均向边跨偏移，各施工阶段的主索鞍偏量值变化曲线见图6，主索鞍偏量值见表1。

图6 各施工阶段的主索鞍偏量值变化曲线

表1 主索鞍偏量值

3 主索鞍顶推时机及顶推量的确定

在钢桁梁架设施工和桥面系等二期恒载施工过程中，为了保证主塔应力不大于设计容许值，并且让主塔在成桥后处于良好受力状态，须在安设主缆前将主索鞍向边跨侧设置一定偏量。根据对主索鞍偏量计算，白洋岸设置为1 521 mm，宜都岸设置为1 482 mm。根据主索鞍理论自由滑移量、主塔塔身截面应力及主塔塔顶偏位状态确定大节段钢桁梁整体架设主索鞍的顶推时机和顶推量。由于白洋桥跨度较大，设置的偏量也较大，因此在钢桁梁架设以及桥面系等施工进程中制定了6 次顶推方案：安装吊索后进行第一次顶推、架设B16’节段钢桁梁后进行第二次顶推、架设B11’节段钢桁梁后进行第三次顶推、铺设中间6 块桥面板后进行第四次顶推、铺设跨中至1/4 跨部分桥面板后进行第五次顶推、全桥成桥后即完成桥面板铺设后进行第六次顶推。主索鞍顶推时机及顶推量见表2。