南京小龙湾混凝土自锚式悬索桥吊索张拉过程研究.pdf

1 0 4 桥梁结构 城市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 9 月第 9 期 南京小龙湾混凝土 自锚式悬索桥吊索张拉过程研究 史松 磊 ( 南京市市政设计研究院有限责任公司， 江苏南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要： 不同于地锚式悬索桥， 自 锚式悬索桥先梁后缆的施工方式 ， 使其张拉过程具有显著的可优化性。 依托小龙湾自锚式悬索 桥工程实例， 对 自 锚式悬索桥张拉过程控制原则、 控制 目标进行了分析 ， 在满足桥梁结构受力安全的前提下 ， 尽量减少接长杆数 量、 索鞍顶推次数 、 千斤顶数量和张拉批次， 以较少的人力物力财力和时间来完成吊索张拉方案。建立有限元模型， 模拟分析小 龙湾大桥张拉全过程 ， 根据吊索张拉安全系数、 桥塔及加劲梁允许最大压应力 、 最小拉应力等指标 ， 提出适用于该桥的张拉控制 方案 。对 比分析 了成 桥状态与 张拉过程 中 吊索 的最大 索力 ， 发 现在跨 中 1 4 一 ， 1 6号 吊索索力 较成桥 状态索力 有所增 加 ， 但 均能满 足张拉 过程 吊索安全 要求 。对 吊索 张拉 过程 中桥 塔及加劲梁 的应力变化 规律进行 了总结 ， 发现 在张拉 1 4 1 7号吊索时 ， 桥塔 、 加 劲梁等混凝土构件应力发生显著变化。 关键词 ： 自锚式悬索桥； 吊索张拉； 有限元分析； 全过程分析 ； 施工控制 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 5 文献标 志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 0 4 0 3 0 引言 的张拉次数， 使吊索拉力尽早达到设计状态。 自锚式悬索桥具有景观性强 、不需要修建大 体积锚碇 、 受地质条件 限制小 、 桥型可结合地形灵 活布置 、主缆水平力可为混凝 土加劲梁提供压应 力等优点 ，在 中小跨径桥梁方 案 比选 中具有较 强 的竞争力 ， 近年得到了较快 的发展 。 地锚式悬索桥梁一般先安装吊索，梁段一般 从跨 中向两端逐段 拼装 ，已安装好 的梁段会随着 主缆变形 ，吊索力 的大小基本与其承担的梁段重 量相等， 随其它梁段的吊装变化不大， 吊索的长度 基本不变 ， 全桥梁段合拢后及二期恒载施加 ， 一般 不对 吊索索力进行调整。 与地锚式悬索桥不 同 ，自锚式悬索桥一般采 用先梁后缆 的施工方式 ， 加劲梁先在支架 现浇 ， 现 浇完成后的位置与成桥状态位置基本一致 ， 而成桥 主缆与空缆状态相差很大 ， 一般空缆会上浮 1 2 m， 因 此按照成桥状态下料制作的 吊索 长度多数小 于空 缆状态时索夹至加劲梁锚点 的长度 ，吊索张拉施 工时 ， 需用接长杆接长 吊索 。吊索 张拉过程 中， 考 虑到加劲梁的承载能力 、 桥塔的承载能力、 吊索的 允许承载力以及施工过程中的张拉设备的数量等 因素影响 ， 张拉一般需要分批次逐步张拉 ， 以确保 张拉过程中加劲梁、 桥塔 、 吊索的安全。但为了减 少 时间、 人力及财力 的消耗 ， 在满足桥塔 、 加劲梁 、 吊索等构件安全 的情况下 ，一般应尽量减少 吊索 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 2 1 作者简介 ： 史松磊 ( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 山东临沂人 ， 硕士 ， 工程 师 ， 主要 从事道路与桥梁设计研究工作。 1 工程背 景 1 1 主桥 总体布置 主桥采 用双塔 双索 面 自锚 式悬索桥 ，跨径组 合为 4 4 m+ 9 6 m+ 4 4 m = 1 8 4 IT I ， 道路 与现状 河道斜 交 ， 斜交角度 为 5 。 ， 桥梁为正桥。主桥主塔总高为 3 5 4 m， 桥 面以上塔高 2 2 6 m， 主缆成桥 线形采用 二次抛物线 ， 中跨矢跨 比为 1 5 5 ， 主缆横桥 向中心 距 1 8 m。 加劲梁采用现浇预应力混凝土箱梁 ， 梁高 1 7 4 2 0 m。吊索标准间距 为 5 m， 箱梁每 5 m设 置一横梁与 吊索对应 。主塔基础采用直径 为 1 5 m 的钻孔灌注桩群桩基础。 主桥桥面 为双 向 4车道 ，并设置非机 动车道 及人行道 ， 其断面布置为 ： 3 5 m( 人行道含栏杆 ) + 3 5 m( 非机动车道) + 2 5 m( 侧分带 ) + 1 5 5 m( 机动车 道 ) + 2 5 r n ( 侧分带 ) + 3 5 m( 非机动车道 ) + 3 5 m( 人 行道含栏杆 ) = 3 4 5 m。 桥梁纵坡为 2 8 2 的对称坡 ， 变坡点位 于主桥 跨 中， 设 置 R = I 3 5 0 m竖曲线 ； 桥 面横坡 为 1 5 ， 通过调整主梁高度来实现，道路中心线处主梁高 2 0 m。图 1 为桥梁总体布置及吊杆编号图。 l 、 广 、 r_ 图 1 桥梁 总体布置及 吊杆编号 图( 单位 ： m ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 9 月第 9期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构 1 0 5 1 2 主 缆 主缆采用对称布置 ， 成桥状态下主跨跨度 9 6 m， 矢跨 比为 1 5 5 ， 边跨矢跨 比为 1 1 4 8 ， 两 主缆 缆心 横向间距为 1 8 m； 设计采用每根主缆 由 3 7股预制 平 行 ( P P WS ) 钢 丝成 品索 组 成 ， 每股 成 品索 由 9 1 丝 5 1 m m 的钢丝组成 ， 标准强度 = 1 6 7 0 MP a 。 主缆在 架设 时竖 向排列 成尖顶 的近似正 六边形 ， 紧缆后 主缆为 圆形 。其在索 夹内直径为 3 2 6 8 m m ( 空隙率 1 8 ) ，索夹外直径为 3 3 0 9 mm ( 空隙率 2 0 ) 。 1 3 吊索 全桥 吊索共 3 3 对 6 6根， 两边跨各 7 对 ， 主跨 1 9对 ， 吊索标 准间距 5 m， 主塔两侧 吊索距塔轴线 3 m。 吊索采用单根 1 0 9丝 7 1 mm高强镀锌钢 丝组成的成品钢丝索( 带 P E护套) ， 冷铸锚锚固体 系 。吊索与索夹采用耳板销接 ， 下端与梁体用冷铸 锚锚 固于横梁底部 ， 张拉端设在箱梁底部。吊索在 与主梁结合处设置防水罩 ，预埋导管内涂抹防腐 油脂 ， 下锚头加保护盖板并注人 防腐油脂 ， 并 在索 管 内注入 聚氨酯发泡材料 。 2 吊杆张拉方案设计 2 1 张拉控制方案原则与控制条件 由于受各种 因素的制约 ，吊索张拉不可 能一 次完成。在吊索张拉过程中， 需要对长度不足的吊 索进行接长 ， 并 根据张拉 过程 ， 不 断对桥塔索 鞍鞍 座进行顶推 ， 以减小桥塔受力 。不同的张拉方案对 所需 接长杆数量 、 索鞍顶推次数 、 千斤顶数量各不 相 同。在满足桥梁结构受力安全的前提下 ， 尽 量减 少 接长杆数量 、 索鞍顶 推次数 、 千斤顶数 量 、 张拉 批次 ，以较少 的人力物力财 力和时间来完成 吊索 张拉方案 ， 是张拉控制方案设计的根本原则。 对 于小龙 湾大桥 ， 吊杆 张拉过程 中， 为满足桥 梁结构安全 ， 应满足以下条件 ： ( 1 ) 尽量减少张拉批次 ， 缩短张拉工期 ； ( 2 ) 吊索安全 系数 2 0 ； ( 3 ) 桥 塔最 大拉应 力应小 于 1 3 M P a ， 最 大压 应力应小 于 1 4 7 2 MP a ； ( 4 ) 加劲 梁 最大拉 应力应 小于 1 3 MP a ， 最大 压应力应小 于 1 7 9 2 MP a 。 2 2 张拉方案 为尽量减少接 长杆数量和长度 ，根据 有限元 计算结果， 在桥梁空缆状态下， 对索鞍向边跨放向 进行预偏 ， 边 跨 吊索长度均能满足安装戴 帽要求 。 可以先完成边跨 1 7号 吊索戴帽 ， 在中跨 张拉时 ， 采用从桥塔 向跨 中对称张拉顺序方案 。根据计算 ， 若安装 吊索无应力长度一次张拉 到位 ，吊杆在 张 拉过程中最大应力如图 2 ， 显然吊索张拉中最大索 力是成桥索力 2 倍， 不满足安全要求。根据吊索力 的相邻影 响特点 ，采用张拉 吊索前后 吊索 同时分 批张拉方案 ， 具体如表 1 。 表 1 吊索张拉顺序 方案表 张拉工况 1 边跨 1 7 号吊索张拉戴帽 2 张拉 8 号吊索 3 张拉 9号 吊索 4 张拉 1 0号 吊索 5 张拉 1 1 号 吊索 6 张拉 1 2号 吊索 7 张拉 1 3号 吊索 8 第一次顶推索鞍2 8 c m 9 张拉 1 4 、 1 5号 吊索 l 0 第 二次顶推 索鞍 7 e m 1 1 张拉 1 4 、 1 5号 吊索 1 2 张拉 l 5 、 1 6号 吊索 1 3 第 三次顶 推索鞍 4 4 c m 1 4 张拉 1 5 、 1 6号吊索 1 5 张拉 1 6 、 1 7号吊索 1 6 张拉 1 7号吊索 1 7 第 四次顶推索鞍 2 4 c m 控制方式 无应力长度 凭 应力长度 无应力长度 无应力长度 无应力长度 无应力 长度 无应力 长度 1 4、 1 5号吊索 张拉力 1 5 0 0 k N 1 4号 吊索按无应力长度 。 1 5号 吊索 1 5 00 k N 1 5 、 1 6 号吊索张拉力 1 5 0 0 k N 1 5 号吊索按无应力长度， 1 6 号 吊索 1 5 0 0k N l 6号 吊索按无应力长度 ， l 7号 吊索 1 5 00 k N 3 吊杆张拉过程模拟 采用有 限元 软件 M i d a s C i v i l 建立全桥 有 限元 模型 ， 模 拟张拉 全过程 。桥塔 、 加劲梁采用梁单元 模拟 ， 主缆 、 吊索采用大变形索单元模拟 ， 全桥共 2 1 0个单元 ， 共 2 1 7个节点 。有限元模型如图 2 。 图 2 桥 梁有 限元模型 图 4 张拉 过程分 析 4 1 吊杆张拉 力对比 从 图 3吊杆张拉力对 比图中可 以看 出 ，成桥 状态下 ， 吊索索力比较均匀， 只是桥塔两侧 7 号、 8 号 吊杆索力 稍大 ， 索力均在 1 7 7 9 2 1 9 4 k N之间。 吊索张拉过程 中， 1 一 l 3号、 1 7号吊索最大索力与 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m