大跨连续钢桁拱桥吊索塔架系统设计与施工*

程建华

(中铁大桥局第七工程有限公司,湖北 武汉 430050)

1 工程概况

江汉七桥位于武汉市汉江下游段,主桥为132m+408m+132m跨径的3跨连续钢桁系杆拱桥。中跨为横向两片变高“N”形桁式系杆拱,边跨为变高度钢桁梁;标准桁宽34m,汉口侧边跨桁宽渐变至39.5m。全桥对称设56个节间,边跨各11个节间,中跨34个节间,节间距12m;主跨矢高90m,拱顶桁高10m,支点桁高39m。桥面系采用正交异性钢桥面板,中跨主纵梁兼作系杆;吊杆为双吊杆形式,采用平行高强钢丝束,顺桥向间距12m。桥面宽度47m,双向6车道(预留拓宽8车道条件),总体布置如图1所示。

图1 主桥总体布置(单位:m)Fig.1 General Layout of main bridge(unit:m)

2 总体施工方案

江汉七桥主桥按照“先边后中、先拱后梁”的总体施工顺序,钢拱合龙后先张拉临时系杆,然后悬臂架设钢梁。

边跨钢桁梁采用临时支架拼装施工方案。汉阳侧1～3节间采用400t履带式起重机吊装,汉口侧1～10节间需跨越防洪大堤、城市主干道等,采用100t高空轨道门式起重机吊装;其余节间采用100t拱上吊机吊装。

中跨钢桁拱采用“拱上吊机+吊索塔架”悬臂架设施工方案,同时采取汉阳侧边跨“平衡梁+压重”、汉口侧边跨“锚拉+压重”的组合措施形成平衡体系;钢桁拱采取“边支点起落梁+一侧纵移+调索”合龙。

中跨钢梁靠近河道的汉口侧1～6节间、汉阳侧1～4节间采用临时支架拼装,其余钢梁采取300t桥面吊机整节段对称悬臂架设,直至跨中合龙。

分阶段拆除临时系杆、吊索塔架和压重荷载进行体系转换,最后进行吊杆索力和线形调整,完成主桥施工。

3 吊索塔架系统设计

3.1 设计原则

吊索塔架设计以控制中跨钢桁拱悬臂架设阶段结构内力和下挠变形,充分利用边跨自重和压重、边支点锚拉荷载形成吊索塔架与拱梁协同受力结构为原则,合理设置塔高及吊索前后锚点位置。为减小边跨钢桁梁因压重产生的应力,将边跨吊索设在压重区改善钢桁梁结构受力;汉口侧压重区位于平曲变宽段,为避免锚索横向不平衡水平力对塔架和铰座产生较大的不利附加应力,将吊索适当向跨中平直段前移,边支点锚拉,并将合龙口设置在汉口侧减少悬臂荷载;吊索塔架与拱梁形成结构受力均衡、整体抗倾覆性能好、悬臂端变形小、易于合龙的体系,使得钢桁拱结构受力合理、悬臂架设安全稳定。

3.2 吊索塔架系统总体布置

吊索塔架系统主要由塔架和吊索组成。吊索中跨侧为扣索、边跨侧为锚索(见图2)。塔架为空间组合塔柱,主要由上锚梁、塔柱节段、铰座及横、斜撑等组成,在拼装过程中使用临时风缆保持稳定。塔架布置于主墩钢桁梁顶部11节间,底部与钢桁梁上弦铰接,上下游各设一个塔肢,中间用横撑、斜撑连接;塔肢横向中心间距为34m(与主桁同宽),塔柱总高度89.6m。每个塔肢各设3对扣锚索,对称锚固在A16,A20,A24节点上;锚索汉阳侧锚固在A1’,A2’,A3’节点上;汉口侧锚固在A3,A4,A5节点上。

图2 吊索塔架体系总体布置(单位:m)Fig.2 General layout of sling tower system(unit:m)

3.3 吊索塔架体系计算

吊索塔架体系是主桥钢桁拱架设的关键临时结构,采用Midas-civil有限元软件,建立空间有限元模型:主桥和吊索塔架被离散为13 626个单元,其中拱肋、系杆和吊索塔架采用梁单元,共9 058个单元;主梁桥面板采用板单元,共4 480个单元;扣锚索及主桥吊杆采用索单元,共88个单元。0～3号墩支座均采用铰接,其中1号墩支座限制纵向水平位移。有限元模型如图3所示。

图3 吊索塔架体系计算模型Fig.3 Calculation model of sling tower system

为了保证拱肋最大悬臂阶段结构的稳定性,在边跨架设完毕后,在0号墩附近节间施加7 000kN锚拉力和2 820t压重,3号墩附近节间施加4 348.8t压重,在主拱安装至16,20,24节间时分别张拉1～3号扣锚索。通过对主桥中跨架设主要施工阶段计算分析,当主拱安装至第26节间时,结构最大应力199MPa,当主拱安装至第28节间时(最大悬臂),抗倾覆系数最小为1.36,均满足设计和规范要求(见表1);主拱两侧合龙口悬臂下挠值相差4mm。

表1 中跨架设主要施工阶段数据Table 1 Data of main construction stage of mid-span erection

3.3.1扣锚索计算

单侧吊索塔架共设12根扣锚索,每根索由4束钢绞线组成,钢绞线为φ15.24mm,抗拉强度1 860MPa,弹性模量1.95×105MPa。扣锚索塔顶为张拉端,采用防松锚具;主桁端为锚固端,采用圆形P锚。根据吊索塔架高度从低到高分别设1号、2号、3号扣锚索,扣锚索在上下游钢绞线截面配置一致(见表2)。

表2 扣锚索截面配置Table 2 Section configuration of buckle anchor cable

采用Midas-civil建立吊索塔架空间有限元模型,模型中扣锚索采用索单元,其余构件均采用梁单元模拟;边界条件为吊索塔架底部铰轴处铰接,拉索在钢梁侧固结。荷载及工况为结构自重和索力分别与纵、横向风荷载组合。

根据模型计算分析,钢桁拱合龙阶段和系杆合龙阶段受力较为不利。其中系杆合龙阶段塔架各构件受力最不利,扣锚索的安全系数均大于2(见表3),满足使用要求。

表3 扣锚索最大索力及安全系数Table 3 Maximum cable force and safety factor of buckle anchor cable

3.3.2塔架计算

塔架采用法兰盘和M27螺栓栓接组装式格构钢管柱,每个塔肢采用6根φ1 000×20钢管,材质为Q345B;横向布置2组,间距2.2m;纵向布置3组,间距为2×3.5m。塔肢钢管立柱组合为7m(底节)+11×6m(标准节)+3.65m(调整节)+6.96m(顶节)。塔肢间沿高度方向设4道横撑和3道斜撑。

1)塔架位移 工况为系杆合龙+纵向风载作用于塔架时纵向位移最大,最大位移108.2mm;工况为系杆合龙+横向风载作用于塔架时横向位移最大,最大位移33.7mm。位移容许值为H/150=597.3mm,满足要求。

2)塔架稳定 对塔架进行屈曲分析,临界荷载系数为16>5, 满足要求。单侧塔肢稳定性:换算长细比19.5,屈曲应力171.5MPa<240MPa,满足要求。单根钢管立柱稳定性:长细比8.7,屈曲应力221.8MPa<240MPa,满足要求。

4 吊索塔架施工

钢桁拱悬臂架设过程中,要对主拱姿态及线形、吊索塔架变形、扣锚索力和塔柱应力、主桥基础沉降等进行施工监测,确保结构安全。

4.1 吊索塔架施工顺序

1)塔架构件工厂内制造,水运进入现场预拼。当拱上吊机前行过中支点后利用拱上吊机安装铰座,使用墩旁塔式起重机安装塔架。

2)拱上吊机安装钢桁拱至A18节、A22节、A26节后分别安装1号、2号、3号扣锚索。在扣锚索安装前,分别提前2个节间开始边跨第1次、第2次、第3次配重,先配重后张拉。1号扣锚索安装完成后拆除临时缆风绳。

3)拱上吊机安装钢桁拱至合龙后,桥面吊机安装桥面系至合龙。

4)分阶段拆除临时系杆、吊索塔架和压重荷载进行体系转换,拆除顺序按照安装逆顺序进行。吊索塔架拆除时要保证结构稳定性,前后索力对称卸载,塔柱垂直度控制在1/1 500以内;最下层扣锚索卸载前需要恢复临时风缆和刚性撑脚。

4.2 铰座及销轴安装

1)铰座安装 单个铰座重约35t,顶部焊接吊耳。铰座吊装前,在A11节点上弦前后焊接垫柱、安装垫梁作为铰座的临时刚性撑脚。采用拱上吊机侧后方吊装铰座放置在刚性撑脚上,采用20t螺旋千斤顶辅助调整铰座,使其与A11上的底座销孔同心,固定铰座。

2)销轴安装 销轴直径600mm,长2m,重约4.5t。在销轴前端安装M36螺栓、转换铁块、钢绞线,采用塔式起重机吊装到A11上。将钢绞线穿到另一端,使用27t穿心千斤顶将销轴安装到位,安装好后在销轴尾端设置钢板限位。

4.3 塔架安装

塔架安装采用墩旁塔式起重机由下向上逐节分层进行,采用薄钢板在法兰盘间隙抄垫、螺栓连接。为消除构件的加工误差,采取塔架构件在工厂内制造,在拼装现场“2+1”方式预拼;选择在温差较小的早晚时段拼装,避免阳光偏晒,减少温差对安装精度的影响。

4.3.1立柱安装

立柱按照柱底分配梁、底节立柱、中间节和顶节立柱、分配梁和上锚梁顺序吊装。

1)柱底分配梁 铰座安装完成后,吊装3根柱底分配梁,下部与铰座的螺栓连接。

2)底节立柱 先吊装底节中间立柱,接着吊装底节一侧边立柱、安装水平杆,然后吊装底节另一侧边立柱、安装水平杆,最后将柱脚垂直度调整好后焊接柱脚。

3)中间节及顶节立柱 先安装中间立柱,接着吊装一侧边立柱、安装水平杆,然后吊装另一侧边立柱、安装水平杆,直至完成顶节立柱吊装。

4)吊装分配梁和上锚梁 顶节立柱杆件安装完后,吊装顶节分配梁,微调顶节柱帽后将柱帽与钢管焊接。最后安装上锚梁,上锚梁与柱顶分配梁的垫座之间应焊接牢固,避免单根锚梁左右挂索不平衡导致倾覆。

5)调整立柱垂直度 采用2,3,4mm不同厚度的薄钢板,在立柱上下法兰之间的间隙进行抄垫,使上下法兰密贴,保证立柱垂直度。

4.3.2横撑及斜撑安装

横撑及斜撑钢管长度较大,考虑到现场塔式起重机的起重能力,将横撑分3段,斜撑分2段进行吊装。横、斜撑随同立柱由下至上安装,两侧斜撑宜对称,便于立柱垂直度调整;斜撑在满足吊装质量的前提下可在边侧立柱上或者单独进行吊装,便于安装并提高工效。

为保证横撑和斜撑的精度,方便现场安装,在加工时提前将每处的钢管预拼好,将连接接头焊接好。为确保同一处的横撑、斜撑连接杆能在同一平面内,钢管与立柱连接的接头管标注好相贯线,确保与主管连接后相贯线角度正确。

4.4 扣锚索安装、张拉

扣锚索采用塔式起重机吊装,10t卷扬机整束牵引及2t手拉葫芦辅助牵引方式安装;采用27t穿心千斤顶逐根张拉预紧,采用 650t千斤顶整体张拉。

1)扣锚索挂设 钢绞线在桥面下料,先挂塔端,第1层吊索采用塔式起重机在塔顶挂设,第2,3层吊索采用塔顶卷扬机牵引安装;后挂拱端,采用卷扬机整束牵引,在主桁上弦、拱上吊机上设置转向轮;钢绞线用手拉葫芦辅助牵引入锚完成安装。为增加张拉端锚具锚固安全性,抑制钢绞线在风荷载下振动,使钢绞线整形不打绞,在钢绞线束上距离锚固端5m及张拉端顶口5m和20m处安装固定穿孔减振板。

2)扣锚索张拉 扣锚索挂设好后,对索逐根张拉紧预紧,每根张拉至单根总张拉力的50%;剩余的50%索力,采取整索张拉,按照10%分级张拉至100%。单根及整索张拉及以索力控制,并保证同束索内单索力以及整束索力均匀度不大于2%,所有扣锚索在单根预紧及整体张拉过程中必须对称进行。

5 结语

江汉七桥主桥采用大跨度连续钢桁拱桥,施工难度大,精度要求高,通过采取有限元计算分析,科学合理地确定塔架高度和扣锚索布置方案,实现了大跨度钢桁拱悬臂架设结构内力均衡、抗倾覆性能好、线形控制好,其合龙口相对里程、轴偏和高程的偏差值分别为10,4,8mm,实现了钢拱合龙口高精度控制目标。在钢桁拱施工过程中,通过不断优化吊索塔架安装施工组织,提高施工效率,保证了项目顺利通车并投入使用。