郭家沱长江大桥主缆状态影响参数敏感性分析

2023-05-09熊桂开陈翰新何旭东

重庆交通大学学报(自然科学版) 2023年3期

熊桂开,王辉,陈翰新,何旭东

(1. 重庆大学土木工程学院,重庆 400045; 2. 重庆市勘测院,重庆 401121; 3. 西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031; 4. 重庆中建郭家沱大桥建设运营管理有限公司,重庆 400020)

悬索桥跨越能力大、造型优美,是现代桥梁的重要形式之一[1]。公轨两用悬索桥与公路悬索桥相比,具有荷载大、结构受力复杂、行车舒适性要求高等特点,因此对桥梁线形精度的要求也更高。主缆作为悬索桥的主要承重构件,是控制悬索桥成桥线形的重要因素,当悬索桥主缆架设完成后,主缆的实际成桥线形已经确定,后期施工中无法对主缆进行调整,因此在悬索桥的施工控制中,空缆线形是主缆施工的重要控制指标[2-5]。主缆的空缆线形受许多因素影响。例如:架设时主缆温度、桥塔预抬高值、主缆钢丝制造误差(钢丝直径制造误差、钢丝弹模制造误差等)、钢桁梁重量误差等。

为确保成桥后的桥梁线形符合设计要求,在进行悬索桥主缆施工控制时,精准计算出主缆的空缆线形对指导主缆架设施工至关重要[6]。笔者以一座在建大跨度公轨两用悬索桥为例,基于BNLAS软件,采用空间几何非线性有限元分析方法,从架设时的主缆温度、桥塔预抬高值、钢丝弹性模量、钢丝直径、钢桁梁重量误差等参数来分析其对主缆状态的影响。

1 项目概况

郭家沱长江大桥是重庆市六纵线横跨长江的节点性工程。该桥为(67.5+720+75)m的单孔悬吊双塔三跨连续钢桁梁公轨两用悬索桥。大桥采用双层布置,上层为8车道城市道路,设计时速80 km/h;下层为双线轨道交通,线间距5.2 m,最高设计运行速度100 km/h。主缆采用预制平行钢丝束股法(PPWS)形成,矢跨比为1∶9,两根主缆中心距为38 m,通长索股133股,每根索股由127根直径5.45 mm、公称抗拉强度1 860 MPa高强镀锌钢丝组成。吊索仅在中跨设置,采用公称直径5.00 mm、公称抗拉强度1 860 MPa高强镀锌钢丝组成,吊点标准间距为15.0 m。加劲梁采用正交异性钢桥面板桁结合钢桁梁,主桁架为带斜撑的三角形桁架,主桁架高度12.7 m,标准节间长度15.0 m,两片主桁中心间距为17.0 m。桥跨布置见图1;有限元模型见图2。

图1 郭家沱长江大桥桥跨布置(单位:cm)

图2 郭家沱长江大桥有限元模型

2 主缆状态影响参数分析

2.1 温度对主缆线形的影响

温度荷载是悬索桥的主要荷载之一。大跨度悬索桥为柔性结构体系,温度变化会引起结构状态的显著改变。国内学者对此进行了大量研究,张永水等[6]通过分析得出温度对悬索桥线形有较大影响的结论,在悬索桥空缆架设施工中,温度不仅会改变主缆索股长度,还会引起主塔偏位;范杰等[7]针对悬索桥空缆线形对跨径及温度变化敏感的特点,从理论和工程实践上系统性的阐述了该影响。

根据郭家沱长江大桥设计资料,设计基准温为20 ℃,为精确计算架设时主缆温度变化对空缆线形的影响,结合桥位处施工环境,分别采用架设温度为0、10、20、30、40 ℃这5种温度工况,计算分析架设时主缆温度对空缆线形影响,计算结果采用相对设计基准温度(20 ℃)的变化值表示,如表1。

表1 主缆温度对主缆空缆线形影响

从表1可知:当架设时主缆温度每升高10 ℃,计算出的主缆空缆线形中跨跨中矢高将降低0.295 m,边跨跨中矢高将降低0.034 m;中跨空缆线形受温度影响较大,边跨空缆线形受温度影响较小。这是因为在不同架设温度下,得出的索鞍预偏量不同。若鞍座固定,温度变化引起单孔悬吊悬索桥中跨主缆力变化小,边跨主缆力变化大;若鞍座放开,为保证塔顶两侧主缆水平力达到平衡,从而边跨主缆矢高变化小,中跨主缆矢高变化大,故中跨跨中空缆矢高相较于边跨受架设温度影响大。

悬索桥施工控制一般选择在结构各部分温度尽量接近的情况下进行,并在架设时要对环境温度场进行监测,其目的是为主缆线形调整、监控计算提供参数,精确计算并指导主缆的空缆架设,保证其架设精度要求[8]。从变化规律中可看出:主缆跨中矢高变化值与架设温度近似为线性关系,可用式(1)表达。

St=S0+K(T0-T)

(1)

式中:St为任意温度下跨中矢高值;S0为设计基准温度下跨中矢高值;T为丝股架设期间平均温度;T0为设计基准温度;K为主缆架设温度影响系数(本桥可近似取值K=0.029 6)。

2.2 桥塔预抬值对主缆线形的影响

混凝土桥塔在索鞍传递的上部结构竖向荷载作用下,将产生弹性压缩,随着时间变化,也将产生收缩变形及徐变。为确保成桥后塔顶标高满足设计要求,施工时会将塔顶标高在设计标高状态基础上进行预抬[9]。如:万州新田长江大桥塔顶预抬值为69 mm;南沙大桥坭洲水道桥预抬值为90 mm;深中通道伶仃洋大桥预抬值为100 mm[10]。

通过对于郭家沱长江大桥南北塔的桥塔预抬高值计算,在施工中给出的桥塔预抬高值为65 mm。为分析桥塔预抬高值对主缆空缆线形的影响,笔者拟采取南北桥塔均预抬高10、30、50、70、90 mm这5个工况对主缆空缆线形影响进行分析,计算结果采用相对桥塔预抬高值为50 mm的变化值表示,见表2。

表2 桥塔预抬值对主缆空缆线形影响

从表2可知:桥塔塔高变化与主缆空缆线形变化成正向关系,且基本呈线性变化规律。南北侧边跨跨中空缆矢高变化值基本相等,在桥塔预抬值为90 mm时,中跨跨中主缆矢高变化相对值达94 mm,影响较大,为确保主缆线形与设计线形一致,需在施工过程中严格控制桥塔高程精度。

2.3 弹性模量对主缆状态的影响

本桥主缆由133股、127丝、直径为5.45 mm的高强平行钢丝组成,钢丝弹性模量为1.97×105MPa。主缆钢丝在制作时会存在一定的弹性模量误差(-0.1×105～+0.1×105MPa),且钢丝弹性模量具有一定离散性,故其真实值也会有一定的变化范围,这将会影响主缆的索股实际长度。为分析不同钢丝弹性模量值对主缆空缆线形、索股无应力长度和主缆成桥内力影响,笔者分别取主缆钢丝弹性模量为1.87×105、1.92×105、1.97×105、2.02×105、2.07×105MPa进行有限元计算分析。计算结果采用相对设计基准弹性模量(1.97×105MPa)的变化值表示。图3为弹性模量对空缆线形影响;图4为弹性模量对主缆无应力长度影响;图5为弹性模量对主缆成桥内力的影响(采用绝对值)。

图3 弹性模量对空缆线形影响

图4 弹性模量对索股无应力长度影响

图5 弹性模量对主缆成桥内力影响

由图3可知:当钢丝弹性模量为2.07×105MPa时,主缆空缆线形的中跨跨中矢高降低了32.2 cm,边跨跨中矢高降低了3.8 cm,随着钢丝弹性模量增加,空缆线形的矢高将逐渐降低,且中跨跨中矢高变化值较南北两侧边跨大,呈现反向线性变化规律。总体来说,钢丝弹性模量对主缆线形影响较大。

由图4可知:弹性模量与索股无应力长度近似呈正向线性变化,当钢丝弹性模量取值为2.07×105MPa时,主缆索股的无应力长度增加了19.7 cm,影响较大。在进行主缆空缆线形计算时,施工控制目标是使主缆成桥状态能达到设计线形,即控制成桥主缆的等效曲线长度与设计长度一致。而主缆各跨的等效曲线长度Sc等于其索股无应力长度Sw与索股弹性伸长量Se之和,如式(2)。

Sc=Sw+Se

(2)

当Sc一定时,当钢丝弹性模量越大时,主缆弹性总伸长量越小,所对应的索股无应力总长度越长,由此计算得出的空缆跨中矢高越低。

由图5可知:弹性模量对成桥主缆内力影响较小,当弹性模量增加2.5%时,主缆水平张力仅增加2 kN(0.000 9%);竖向张力仅增加1 kN(0.001%)。

2.4 钢丝直径对主缆线形的影响

文献[11]指出:公称直径5.00 mm的钢丝允许偏差为±0.06 mm。为分析主缆钢丝直径误差对于主缆状态影响,笔者考虑选取主缆钢丝直径分别为5.39、 5.41、 5.43、 5.45、 5.47、 5.49、 5.51 mm,计算结果采用相对设计标准值5.45 mm变化值表示,如图6。

图6 钢丝直径对空缆线形影响

由图6可知:当钢丝直径为5.51 mm时,中跨跨中空缆矢高降低了15.5 cm,影响较为明显;南北跨跨中矢高分别2.2、1.6 cm,影响较跨中小。由此可知钢丝直径越大,空缆线形矢高越低,两者基本呈反向线性关系。

2.5 钢桁梁重量误差对主缆状态的影响

桥梁钢桁梁采用倒梯形断面形式,桁宽17 m;钢梁全长862.5 m,上层桥面主跨全宽39.0 m,边跨全宽37.0 m;主桁采用等高三角形桁式,标准节间长度15 m,标准节段重420 t;中部段长度20.5 m,钢材用量635 t。钢桁梁重量将直接影响主缆空缆线形、无应力长度和主缆成桥内力,由于钢桁梁重量在实际制造过程中存在着一定误差,本次采用每节段梁±2.5 t的误差进行计算分析。图7为钢桁梁重量误差对空缆线形影响;图8为钢桁梁重量误差对主缆无应力长度影响;图9为钢桁梁重量误差对主缆成桥内力的影响(采用绝对值)。