[科普中國]-加勁梁

加勁梁吊裝方案概述

構(gòu)件安全和成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)線型與內(nèi)力的關(guān)鍵之一．隨著加勁梁的逐段安裝，中跨主纜在邊塔塔頂處的水平力將不斷增大，塔頂受到向跨中方向的水平推力，引起變位并在塔身內(nèi)產(chǎn)生剪力和彎矩，當(dāng)塔身彎矩超過一定限額時，必將威脅到主塔的安全．另外，隨著塔身剪力的增大，鞍座兩側(cè)主纜的索力差也逐漸增大，可能會導(dǎo)致主纜相對于鞍座發(fā)生滑動，從而使主纜的線型失去控制．因此，大跨徑三塔懸索橋的加勁梁吊裝至關(guān)重要．

近年來隨著泰州大橋、馬鞍山大橋和鸚鵡洲長江大橋等多塔多跨懸索橋的建設(shè)，多塔連跨懸索橋的施工研究日益成為土木工程界研究熱點(diǎn)問題之一．陸文亮 采用倒拆分析法模擬泰州大橋加勁梁吊裝，對加勁梁吊裝方案進(jìn)行比選，對施工狀態(tài)的參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析；錢亞萍 以馬鞍山長江公路大橋?yàn)檠芯繉ο蟛捎玫共鸱治龇ū容^了兩種加勁梁吊裝施工順序下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，研究了主跨不對稱吊裝方案對中塔偏位、塔底應(yīng)力及主纜鞍槽抗滑移穩(wěn)定性的影響；普曉晶 分析了三塔懸索橋加勁梁吊裝階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和索鞍頂推方案；還有眾多國內(nèi)外學(xué)者 對多跨懸索橋，尤其是三塔四跨、三塔兩跨懸索橋的靜動力特性、中塔剛度及約束體系進(jìn)行了研究．

現(xiàn)有研究主要以已建成工程為對象，跨徑范圍也局限于千米級，研究內(nèi)容主要集中在中邊塔應(yīng)力、偏位以及索鞍抗滑移穩(wěn)定性，而對此過程中結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究較少．因此，本文以主跨2000m的超大跨徑三塔懸索橋?yàn)閷ο?，運(yùn)用參數(shù)分析法結(jié)合有限元數(shù)值分析，研究該結(jié)構(gòu)體系加勁梁吊裝施工過程中，主、邊跨在不同加勁梁吊裝順序下結(jié)構(gòu)的靜、動力性能響應(yīng)，為超大跨徑三塔懸索橋的施工提供參考．

1 三塔懸索橋加勁梁吊裝方案本文采用主跨2000m三塔四跨懸索橋方案為計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，橋塔采用H型，為增加中塔剛度，中塔縱向采用A型．每個標(biāo)準(zhǔn)加勁梁節(jié)段長16m，與吊索間距相同，因此，每根吊索對應(yīng)一個加勁梁吊裝梁段，加勁梁節(jié)段編號如圖1所示（單位：mm）．邊跨由邊塔向錨碇方向節(jié)段編號為S1～S37，主跨靠近邊塔的半跨由邊塔向跨中方向節(jié)段編號為L1～L62，主跨靠近中塔的半跨由中塔向跨中方向節(jié)段編號為R1～R62．由于中塔未設(shè)置鞍座偏移量，中塔兩側(cè)加勁梁關(guān)于中塔對稱吊裝．

根據(jù)主、邊跨加勁梁不同吊裝順序，采用如圖2所示的四種方案．方案一和方案二在偏向邊塔、距離跨中第三根吊索（L60）處進(jìn)行主跨合龍；方案三和方案四在臨近索塔第三根吊索（L3、R3）處進(jìn)行主跨合龍；方案一和方案四在臨近邊跨梁端的第三根吊索（S35）處進(jìn)行邊跨合龍；方案二和方案三在臨近邊塔的第三根吊索（S3）處進(jìn)行邊跨合龍．

2 加勁梁吊裝結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比加勁梁主、邊跨關(guān)于邊塔對稱吊裝時，邊跨鞍座偏移量較空纜狀態(tài)大幅增加．對于混凝土邊塔，需要先向邊跨方向頂推鞍座，再向相反的主跨方向頂推，頂推過程復(fù)雜；對于鋼邊塔，施工過程中的邊塔塔頂偏移量遠(yuǎn)大于運(yùn)營狀態(tài)的最不利組合值，使得邊塔設(shè)計(jì)由施工階段控制，邊塔結(jié)構(gòu)尺寸也需要隨之增加．因此，應(yīng)采用關(guān)于邊塔非對稱加勁梁吊裝方案，通過調(diào)整邊跨加勁梁的吊裝進(jìn)度，使得邊塔鞍座偏移量在空纜狀態(tài)時達(dá)到最大值，以減小混凝土邊塔的鞍座頂推量或鋼邊塔的塔頂位移．加勁梁吊裝完成時對上述四種方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，包括邊塔鞍座偏移量、主纜線型、合龍段施工方法和吊裝過程中的結(jié)構(gòu)動力特性，從而確定適合大跨徑三塔懸索橋體系的加勁梁吊裝方案．

邊塔鞍座偏移量

各方案的邊塔鞍座偏移量如圖3所示，其中，橫坐標(biāo)代表從空纜到成橋的施工進(jìn)程，用施工工況表示．通過采用更有利的吊裝方案，可使各方案的偏移量均逐漸減小，鞍座頂推方向不變，且邊跨加勁梁吊裝順序?qū)ζ屏康挠绊懞苄。骺缂觿帕旱牡跹b順序?qū)ζ屏坑幸欢ㄓ绊懀瑥乃魉蚩缰蟹较虻跹b（方案一和方案二）時，偏移量曲線斜率變化較小，鞍座頂推速度較一致；而從跨中向索塔方向吊裝（方案三和方案四）時，開始吊裝階段的偏移量變化較大，因而鞍座頂推量也較大，但隨著加勁梁的吊裝，曲線斜率逐漸減小，鞍座頂推量也越來越?。?/p>

主纜線型

主纜水平切線角

由于主跨主纜在中塔和邊塔塔頂鞍座處水平切線角的數(shù)值和變化規(guī)律相近，因此，本文僅列出邊塔處的計(jì)算結(jié)果．邊跨加勁梁吊裝順序?qū)χ骺缜芯€角幾乎沒有影響．主跨加勁梁從索塔向跨中方向吊裝（方案一和方案二）時，主跨主纜切線角先增加后減小，最大值出現(xiàn)在吊裝過程中；從跨中向索塔方向吊裝（方案三和方案四）時，切線角先減小后增加，最大值出現(xiàn)在成橋狀態(tài)時．邊跨側(cè)切線角主要受邊跨加勁梁吊裝順序的影響，如圖4b所示．從索塔向錨碇方向吊裝（方案一和方案四）時，邊跨主纜切線角先增加后減小，最大值出現(xiàn)在吊裝過程中；從錨碇向索塔方向吊裝（方案二和方案三）時，切線角先減小后增加，最大值出現(xiàn)在成橋狀態(tài)時．

加勁梁吊裝過程中，主纜線型變化會對臨時連接件受力產(chǎn)生很大影響．當(dāng)加勁梁從索塔處開始吊裝時，主纜水平切線角增加，相鄰吊索間距減小，從而增大了臨時連接件軸力；與成橋狀態(tài)相比，主纜水平切線角的變化量大于從跨中開始吊裝的方案，臨時連接件所承受的剪力也更大．

在加勁梁吊裝設(shè)備方面，國內(nèi)懸索橋施工中普遍采用的是跨纜吊機(jī)，所要求的主纜最大水平切線角為30°．上述四種方案的最大水平切線角均在吊機(jī)的允許作業(yè)角度范圍內(nèi)，但從跨纜吊機(jī)使用過程中的安全性考慮，應(yīng)盡可能減小主纜的水平切線角．因此，主跨從跨中、邊跨和錨碇分別向索塔方向吊裝的方案更能適應(yīng)吊機(jī)的工作性能．

主纜與邊塔塔頂邊緣的水平距離

由于施工過程中塔頂鞍座與索塔固結(jié)，相對位置不發(fā)生變化，因此，主纜與邊塔塔頂邊緣的水平距離與邊塔鞍座偏移量無關(guān)，而主要由主纜水平切線角決定，且邊跨側(cè)的水平距離要小于主跨側(cè)．圖5為主纜與鋼邊塔塔頂邊緣的水平距離．對于鋼邊塔，當(dāng)從索塔處開始吊裝時，水平距離先減小后增加，吊裝過程中的水平距離小于成橋狀態(tài)，但均為正值，主纜與塔頂不會接觸；當(dāng)從主跨跨中或邊跨梁端處開始吊裝時，水平距離先增加后減小，吊裝過程中的水平距離大于成橋狀態(tài)．

對于混凝土邊塔，當(dāng)從索塔處開始吊裝時，水平距離先減小后增加，吊裝過程中出現(xiàn)負(fù)值，主纜會與塔頂接觸；當(dāng)從主跨跨中處開始吊裝時，水平距離先增加后減小，水平距離最小值出現(xiàn)在空纜狀態(tài)，主纜不會與塔頂接觸．平距離主要受邊塔鞍座偏移量的影響，在吊裝過程中逐漸減小，因此其值均大于成橋狀態(tài)時的值，主纜不會與塔頂接觸．邊跨主纜和邊塔的水平距離還與邊跨主纜的水平切線角有關(guān)，當(dāng)主跨吊裝順序確定時，邊跨從索塔開始吊裝的方案其切線角較大，因而其水平距離要小于從邊跨梁端開始吊裝的方案．

合龍段的施工方法

對于大跨徑懸索橋的合龍段施工，一般有溫差和預(yù)偏兩種合龍方法．預(yù)偏合龍時，需要在索塔處對加勁梁施加牽引力，使得合龍空間大于合龍段的梁段長度，一般要求合龍段間距大于20cm．牽引梁段的總長度越小，吊索長度越長，則所需要的牽引力就越小，預(yù)偏合龍也就更容易實(shí)現(xiàn)．

采用預(yù)偏合龍時，方案一和方案二的主跨合龍段施工在邊塔處牽引梁段，而方案三和方案四的中塔合龍段施工在中塔處牽引梁段．各合龍段所需牽引梁段的長度見表2．主跨從索塔向跨中吊裝時，有4個合龍段，兩個主跨合龍段所需牽引的梁段長度相同且遠(yuǎn)大于邊跨合龍段；而主跨從跨中向索塔吊裝時，有6個合龍段，中塔一側(cè)合龍段所需牽引的梁段長度達(dá)到2000m．四種施工方案均是2號合龍段的牽引梁段最長，合龍施工難度也最大．因此，本文僅對2號合龍段的施工過程進(jìn)行有限元分析，并考慮索塔處塔梁間彈性索對溫差和預(yù)偏合龍的影響．與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度相比，可以得到以下結(jié)論．

1）各方案的合龍段間距與降溫溫差均近似成正比關(guān)系．

2）合龍段施工期間設(shè)置彈性索時，由于彈性索對邊跨加勁梁縱橋向位移的限制作用，邊跨加勁梁吊裝順序?qū)淆埗伍g距幾乎沒有影響；方案三的合龍段在中塔附近，中塔側(cè)加勁梁受彈性索的作用縱橋向位移較小，而方案一的合龍段在主跨跨中，溫降時兩側(cè)的加勁梁分別向索塔方向收縮，因而相同溫差下方案一的合龍段間距更大．

3）不設(shè)置彈性索時，方案三和方案四的主跨均在邊塔處設(shè)有合龍段，因此合龍段間距相同；與方案二相比，方案一的邊跨加勁梁較長，溫降引起的加勁梁收縮量較多，使得合龍段間距也更大．

4）由于方案一的主跨側(cè)加勁梁長度大于邊跨側(cè)，不設(shè)置彈性索后，邊跨加勁梁將向主跨方向產(chǎn)生縱橋向位移，使得合龍段間距減??；方案三中塔側(cè)加勁梁的收縮失去了彈性索的限制，使得合龍段間距比設(shè)置彈性索時大幅增加．牽引力與合龍段間距的關(guān)系如圖8所示，設(shè)置彈性索后的合龍段間距遠(yuǎn)小于不設(shè)置彈性索時的間距，采用預(yù)偏合龍時塔梁間不應(yīng)設(shè)置水平彈性索；合龍段間距與牽引力近似成正比關(guān)系，且牽引的梁段長度越小，所需的牽引力也越小，在相同牽引力作用下，方案二的合龍段間距最大，其次是方案一，而方案三和方案四最小．

當(dāng)合龍段間距為20cm時，可以看出：

1）采用溫差合龍時，邊跨加勁梁吊裝順序?qū)淆埗问┕び绊懞苄?；主跨從索塔向跨中方向吊裝時，塔梁間應(yīng)設(shè)置彈性索；主跨從跨中向索塔方向吊裝時，塔梁間不設(shè)置彈性索可減小所需的溫降度數(shù)．

2）采用預(yù)偏合龍時，塔梁間不設(shè)置彈性索，方案二所需牽引的梁段長度最小，所需的牽引力也最??；而方案三和方案四相差不大，所需的牽引力很大．

3）溫降5℃時，各方案所需的牽引力均明顯減小，其中方案三和方案四的牽引力減小到1000kN以內(nèi)．

加勁梁吊裝過程中結(jié)構(gòu)動力特性

本文僅對加勁梁吊裝過程中結(jié)構(gòu)的豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻進(jìn)行了比較，可以得到以下主要結(jié)論：

1）在不同加勁梁拼裝率下，各方案的反對稱豎彎頻率均小于對稱豎彎，而邊跨加勁梁吊裝順序?qū)ωQ彎基頻幾乎沒有影響；

2）隨著加勁梁拼裝率的增加，方案一的反對稱豎彎基頻逐漸增加，而方案三則略有減小，在拼裝率約為80%時達(dá)到最小值；

3）由于方案一可在索塔處加勁梁吊裝完成后進(jìn)行塔梁間水平彈性索的安裝，因此加勁梁吊裝全部完成時，方案一的反對稱豎彎頻率要高于方案三，但彈性索對對稱豎彎頻率影響很??；

4）與成橋狀態(tài)相比，方案一和方案三的反對稱豎彎頻率分別減少了138%和150%．

可以得到以下主要結(jié)論：

1）在加勁梁吊裝過程中，邊跨加勁梁吊裝順序?qū)εまD(zhuǎn)基頻幾乎沒有影響，而方案三的反對稱和對稱扭轉(zhuǎn)基頻均要高于方案一；

2）在加勁梁吊裝初期，各方案的扭轉(zhuǎn)振型均為對稱扭轉(zhuǎn)，當(dāng)拼裝率達(dá)到30%～40%時，各方案的扭轉(zhuǎn)振型均轉(zhuǎn)換為反對稱扭轉(zhuǎn)；

3）結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)基頻如圖 10c所示，與成橋狀態(tài)相比，拼裝率為10%時的方案一和方案三扭轉(zhuǎn)基頻分別減少了550%和514%．

綜上所述，與成橋狀態(tài)相比，加勁梁吊裝過程中的結(jié)構(gòu)豎彎頻率減小幅度較小，說明結(jié)構(gòu)豎向剛度主要由主纜重力剛度提供，與加勁梁的關(guān)系不大，而結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)基頻則大幅下降．不同加勁梁吊裝順序?qū)Y(jié)構(gòu)的動力特性影響較小，相對而言，方案一的結(jié)構(gòu)豎向剛度較大，而方案三的顫振穩(wěn)定性更好．

3 結(jié) 論本文以主跨2000m三塔懸索橋設(shè)計(jì)方案為研究對象，分析了不同加勁梁吊裝順序?qū)吽白屏俊⒅骼|線型以及施工階段結(jié)構(gòu)動力特性的影響，得出以下主要結(jié)論．

1）邊跨加勁梁通過采用更合理的吊裝方案，可以實(shí)現(xiàn)各方案邊塔鞍座偏移量均逐漸減小，鞍座頂推方向不變；主跨從索塔向跨中方向吊裝時，偏移量曲線斜率變化較小，鞍座頂推速度較為一致；主跨從跨中向索塔方向吊裝時，開始吊裝階段的偏移量變化較大，隨著吊裝進(jìn)行，鞍座偏移量變化逐漸減?。?/p>

2）主跨從索塔向跨中方向吊裝時，邊塔主跨側(cè)主纜水平切線角先增加后減小，傾角大于成橋和空纜狀態(tài)，需要在混凝土邊塔塔頂邊緣預(yù)留缺口以避免主纜與邊塔接觸；主跨從跨中向索塔方向吊裝時，切線角先減小后增加，傾角小于成橋和空纜狀態(tài)，主纜與邊塔的最小距離出現(xiàn)在空纜狀態(tài)時，主纜不會與邊塔塔頂接觸．

3）由于主跨跨徑較大，單獨(dú)采用溫差或預(yù)偏合龍所需要的溫降度數(shù)或牽引力都較大，施工困難，因此，宜采用溫差和預(yù)偏合龍相結(jié)合的方法．溫降5℃時，主跨從跨中開始吊裝的方法牽引力相對較小，但如果合龍期間的溫度高于設(shè)計(jì)溫度，則所需的牽引力遠(yuǎn)大于從索塔開始的吊裝方案，因此，需根據(jù)合龍時的環(huán)境溫度選擇合龍方案并確定牽引力值．

4）加勁梁吊裝過程中的結(jié)構(gòu)豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻均小于成橋狀態(tài)，其中豎彎基頻減小幅度較小，而扭轉(zhuǎn)基頻則大幅下降，結(jié)構(gòu)的顫振穩(wěn)定性問題將更加突出；加勁梁吊裝順序?qū)Y(jié)構(gòu)的動力特性影響較小，相對而言，主跨從索塔開始吊裝時的豎彎基頻較大，但扭轉(zhuǎn)基頻較?。?/p>

綜上所述，超大跨徑三塔懸索橋體系宜采用主跨從跨中向索塔方向、邊跨從錨碇向邊塔方向的吊裝方案，其主纜水平傾角小，邊塔邊緣不需要設(shè)置臨時缺口，扭轉(zhuǎn)基頻較大，顫振穩(wěn)定性更好，采用溫差和預(yù)偏合龍方法時所需要的牽引力小，但在開始吊裝階段應(yīng)嚴(yán)格控制兩主跨非對稱吊裝的加勁梁節(jié)段數(shù)．1