某两跨非对称悬索桥的吊梁顺序优化

2021-06-29盛琦根

科学技术创新 2021年17期

盛琦根

(重庆交通大学土木工程学院,重庆400074)

对于非对称悬索桥，结构受力时反应不对称，这在加劲梁吊装过程中，体现出的最主要特点就是两个主索鞍的预偏量不一致，滑移规律差别较大[1]，采用不同主梁吊装顺序时，不同方案之间的主缆线形差距、各个方案与成桥主缆线形差距都较大，为保证架梁过程中的临时连接的受力安全，主塔塔顶偏移量合理、塔底不出现拉应力，有必要对非对称悬索桥的主梁吊装顺序进行优化研究。

1 工程概况

1.1 整体布置。重庆市江津区某在建长江大桥主桥为主跨590m，边跨180m的两跨钢箱梁悬索桥，主缆跨径为全桥梁段划分见图1，悬索桥在加劲梁架设的过程中，会产生强烈的几何非线性，主要体现在主塔塔顶位移、主缆变形上的突增，如果不加以控制，将会给上部结构的施工带来安全隐患，由于前期吊装方案存在不足，因此需要修改吊梁方案。

图1 全桥梁段示意图

1.2 悬索桥钢箱梁的吊装。结构线形主要是指主缆及钢箱梁的线形。钢箱梁线形主要取决于主缆线形，而主缆线形在这个阶段的线形变化是与主梁吊装架设顺序紧密相关的[2]。

本文所述桥梁为两跨非对称结构，前期所拟主梁吊装方案在右边跨合龙时存在岸处卷扬机功率不足以拖动非合龙节段主梁荡移的问题，故需要在满足主塔线形、应力安全的情况下对架梁方案进行修改优化。

2 有限元模型分析

2.1 有限元模型建立。采用Midas Civil进行有限元模型建立，根据该桥的结构布置以及构件尺寸，将其离散为495个节点、486个单元。（图2）

2.2 模型验证

2.2.1 主缆线形的验证。悬索桥与其他桥型相比最大的特点就是主要的承重结构是主缆，包括恒载、活载作用都是由主缆来承受，所以成桥状态的主缆线形非常重要，必须要与设计线形保持一致[3]，通过非线性迭代，得到初始平衡状态，恒载作用下主缆的最大位移为-7.186 mm，发生在中跨1/4附近，中跨跨中的位移为1.886 mm，计算模型初始平衡状态的精度满足工程要求，迭代后得出的线形接近理想线形。

2.2.2 主缆无应力长度验证。索鞍处的无应力长度修正：在初始平衡状态模型里面可以得到主缆的无应力长度，但计算模型中得到的只是主缆理论交点之间的无应力长度，在实际工程中主索鞍和散索鞍处的主缆是曲线，因此需要对这些位置的无应力长度进行修正[4]，单根主缆有61根索股，取位于主缆中心处的31号索股为例，对其进行修正。

计算模型里面所提出的31号索股无应力长度为1040.369 m，修正后的31号索股无应力长度为1039.416 m，与设计文件相差0.182 m，误差在可接受范围内。

综上，通过成桥状态下的主缆线形变化量以及主缆的无应力长度，验证了所建立模型的正确性，从而可以将所建立模型作为施工阶段分析的初始状态，对加劲梁的吊装顺序展开研究。

3 钢箱梁的吊装顺序优化

大跨度悬索桥在主梁吊装的过程中非线性特征明显，主缆线形会产生较大变化，另外最显著的特点便是主塔在两侧大荷载产生不平衡水平力作用下出现的偏位，随之产生的也会是主塔根部的应力，因此要制定合适的吊梁顺序，以保证主塔顶部位移、根部应力处于一个安全范围。

3.1 钢箱梁的优化方案拟定思路。本文依托项目主跨右侧多出一个边跨，主跨合龙段设置在靠近主塔塔侧的X20、D20；为保证有足够的合龙空间，在进行主跨合龙段吊装前先将X21、D21向两岸侧荡移以留出适当空隙，再行合龙段，考虑到边跨荡移所需要的卷扬机功率上限，将边跨梁段整体以三个合龙段D22、D27、D32分割成三部分，先吊装D22号梁段，吊装D22前将右边梁段通过岸侧卷扬机向岸荡移，留出空间，再进行D22吊装，D27、D32按此方法依次进行合龙；另外，边跨段只能行走一台缆载吊机，缆载吊机的来回行走必然磨损主缆钢丝绳，所以还得考虑最大程度减少缆载吊机的重复行走里程。

具体吊梁方案如图3：

图3 吊梁顺序步骤

3.2 主索鞍顶推方案。本文依托项目的顶推方案采用“小步快跑”的方式，前期左塔主索鞍预偏量为-88.7 cm，右塔主索鞍预偏量为82.4 cm，顶推时机以及顶推量如表1：

表1

通过拟定顶推方案，最终成桥（理论模型）状态下，左塔位移为1.6 mm(向江侧),右塔偏移量为-0.5 mm（向江侧）。

3.3 吊梁过程中的主塔受力、位移情况

3.3.1 主塔应力结果。由于主塔根部为受力最不利截面，因此选取主塔根部作为控制截面，吊梁的过程中，左塔如果不进行顶推，最大拉应力出现在岸侧，最大拉应力为0.4 Mpa，若采用上述顶推方案，则控制截面一直处于受压状态，受力情况较好，右塔在不顶推的情况下，最大拉应力为0.4 Mpa，出现在靠岸侧，采用顶推则可使根部截面一直受压。

3.3.2 主塔位移结果，见图4-5。