朱紅明， 程海潛，李清, 宗偉, 閆勇

(1．湖北省路橋集團有限公司, 湖北 武漢 430056；2．湖北交通職業(yè)技術學院； 3.西南交通大學)

隨著地錨式懸索橋跨度的不斷增加，懸索橋加勁梁的剛度及自重也越來越大，在主梁架設過程中節(jié)段之間的臨時連接可以采取全鉸接法、全剛接法和剛鉸結合法3種連接方法。3種方法中鉸接法雖然架設過程中吊索和主桁各類桿件的應力比較小，但施工安全性相對較差；而剛接法在施工過程中加勁梁便開始參與結構的受力，雖然施工安全性相對較好，但有可能產生較大的應力,該應力有可能超過其極限承載應力。剛鉸結合法就是將剛接法與鉸接法聯(lián)合使用的一種施工方法。傳統(tǒng)的鉸固轉換工序存在一定的缺陷，剛鉸結合需要待橋面板和橋面鋪裝等代荷載就位后再進行鉸固轉換，或直接進行鉸固轉換，臨時鉸接處的鉸固轉換均需單獨占用關鍵工期，施工效率較低。

白洋長江公路大橋為雙塔鋼桁梁懸索橋，主跨為1 000 m，采用傳統(tǒng)的加勁梁連接工法難以滿足工程施工要求?；诖?，該文基于傳統(tǒng)的剛鉸結合法提出主梁節(jié)段臨時連接的窗口鉸接法。該方法作為一種較好的剛鉸轉換技術能較好地解決上述問題。

1 窗口鉸接法的基本原理與實施步驟

1.1 窗口鉸接法的基本原理

窗口鉸接法是對加勁梁架設、橋面系鋪設階段進行分析，采用橋梁結構非線性計算軟件對主梁鉸接口的設置及鉸固轉換方案進行動態(tài)規(guī)劃設計，計算荷載需考慮跨纜吊機自重荷載與起吊荷載，對所有設置的臨時鉸接口施工中的變化規(guī)律進行分析，根據每個鉸接口在施工階段出現(xiàn)的無應力拼裝機會，綜合架梁、橋面系鋪設施工的全過程分析選擇最佳轉換時機，以實現(xiàn)鉸接口的無應力鉸固轉換。實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 窗口鉸接法的原理示意圖

窗口鉸接法的關鍵在于臨時鉸位置的設置與剛鉸轉換時機的確定。

(1) 臨時鉸位置的設置

臨時鉸位置的設置有兩大控制因素：起吊荷載與弦桿應力。起吊荷載即加勁梁運輸?shù)轿慌c已安裝完梁段進行連接后，起吊剛完成安裝的梁段使與永久吊索進行連接所需要的起吊荷載，由跨纜吊機提供；弦桿應力即施工全過程中，弦桿應力不出現(xiàn)超過設計規(guī)定的應力。通常以滿足兩大控制因素作為設鉸依據，首先綜合考慮加勁梁吊裝順序等因素，然后采用有限元軟件進行大量的理論計算模型分析，最后確定臨時鉸的數(shù)量和位置：

① 首先采用剛接法對懸索橋進行施工過程分析，按照梁段架設的順序進行逐步查看，當加勁梁安裝至某梁段時吊索力或者鋼桁架力接近控制應力，則在此梁段的前端設置臨時鉸。

② 在步驟①處的位置設置臨時鉸后，繼續(xù)按照梁段架設的順序進行逐步查看，當加勁梁安裝至某梁段時吊索力或者鋼桁架力接近控制應力，則在此梁段的前端設置臨時鉸。

③ 重復上述步驟設置臨時鉸，直至整個施工過程的結構內力都在容許值之內，則全橋所設置的臨時鉸數(shù)量及其位置便可以確定下來。

(2) 臨時鉸的鉸剛轉換時機

臨時鉸的鉸剛轉換時機需考慮溫度、臨時荷載等其他具體條件，此處的計算分析是基于設計溫度及橋面無臨時荷載等條件。為避免同一施工階段出現(xiàn)多處臨時鉸鉸固轉換而影響施工進度，鉸固轉換方案中應考慮鉸接口的轉換時機不能過于集中。通過采用橋梁結構非線性軟件計算對鉸固轉換方案進行動態(tài)規(guī)劃設計，計算荷載考慮了跨纜吊機自重荷載與起吊荷載，對所有設置的臨時鉸接口施工中的變化規(guī)律進行分析，根據每個鉸接口在施工階段出現(xiàn)的無應力拼裝機會，綜合架梁、橋面系鋪設施工的全過程分析選擇最佳轉換時機，以實現(xiàn)鉸接口的無應力鉸固轉換。

該方法的要點為加勁梁吊裝、橋面系鋪設與加勁梁鉸固轉換同步進行，實現(xiàn)加勁梁、橋面系施工及臨時鉸固結階段空間立體多作業(yè)面施工，在橋面系鋪設完成前盡可能多地完成加勁梁臨時鉸體系轉換。因此，該方案避免了全鉸接方案中后期集中鉸固轉換時所占用的關鍵施工工期，提高了施工作業(yè)效率，同時節(jié)約了體系轉換配重方式所需要的配重材料、施工設備和人力資源。由此可見，在懸索橋的加勁梁中采用窗口鉸接法施工能有效地縮短工期與提高工程質量。

1.2 窗口鉸接法的關鍵實施步驟

(1) 根據施工過程計算確定的鉸接口，決定起吊梁段與已吊裝梁段選擇剛接或者鉸接(圖2)。

圖2 鋼桁梁剛接與鉸接口的設置

(2) 根據其全過程計算確定的鉸接梁段出現(xiàn)剛接時機，此時進行鉸固轉換。

2 工程應用

2.1 工程概況

白洋長江公路大橋為主跨1 000 m雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，組合梁橋面系，主纜矢跨比為1/9，北岸邊纜跨度為276 m，南岸邊纜跨度為269 m(圖3)。組合梁橋面系為支撐于鋼桁梁橫梁上弦桿頂面的多跨連續(xù)結構，支點處設板式橡膠支座。

圖3 橋型布置圖(單位：m)

鋼桁加勁梁由主桁架、橫向桁架及上、下平聯(lián)組成。主桁采用華倫式桁架，橫向共2片主桁，中心間距為36 m，桁高為7.5 m，全橋主桁共劃分為35個節(jié)段，標準節(jié)段節(jié)間長7.5 m，2個節(jié)間(15 m)設一吊索吊點，4個節(jié)間作為一節(jié)段現(xiàn)場整體吊裝，標準節(jié)段吊裝長度30 m；端部節(jié)段節(jié)間長6 m，吊裝長度15.26 m；跨中節(jié)段吊裝長度為10.58 m。主桁采用焊接整體節(jié)點結構形式，由主桁上弦桿、主桁下弦桿及主桁腹桿組成。主桁上、下弦桿均采用箱形截面，內高660 mm，內寬660 mm，板厚20 mm，節(jié)點處加厚至28 mm；主桁腹桿均采用工字形截面，全橋主桁豎腹桿及斜腹桿均各自采用統(tǒng)一規(guī)格，僅根據計算結果在端部節(jié)段局部加厚。

2.2 臨時鉸的設置方案

2.2.1 控制因素

通過橋梁結構非線性計算軟件對白洋長江公路大橋鉸接口的設置進行計算，臨時鉸的設置有兩大控制因素：起吊荷載與弦桿應力。

吊梁施工計算整體有限元模型：主纜用只受拉懸索單元模擬，吊索用只受拉桿單元模擬，橋塔、索鞍、加勁梁采用梁單元模擬?？紤]施工過程中貓道改吊、纜載吊機行走等因素。

2.2.2 起吊荷載處理

根據纜載吊機的起吊能力(極限起吊荷載為500 t)，加勁梁安裝起吊荷載暫定為480 t。有限元計算模擬該起吊荷載，即加勁梁運輸?shù)轿慌c已安裝梁段進行連接后，使用450 t(扣除30 t吊具重量)節(jié)點荷載加載剛完成安裝的梁段使其與永久吊索進行連接，起吊荷載示意如圖4所示。

圖4 起吊荷載示意圖

考慮到單幅加勁梁臨時吊點有兩處，現(xiàn)需要明確450 t纜載吊機起吊荷載在吊點處的分配比例，從而通過節(jié)點荷載準確模擬纜載吊機的抬升作用(圖5)。根據吊機在梁段重心位置進行起吊的情況，現(xiàn)通過有限元模擬纜載吊機起吊標準梁段與吊索相連，鋼絞線張拉力計算結果如表1所示。

表1 起吊荷載比例分配

圖5 纜載吊機抬升前端梁段示意圖

2.2.3 設置方案

通過有限元軟件，以滿足兩大控制因素作為設鉸依據，在綜合考慮加勁梁吊裝順序等因素后，進行了大量的理論計算模型分析，在吊索應力和纜載吊機起吊能力均滿足要求的前提下保證加勁梁弦桿應力。最終采用全橋初步設置15組臨時鉸的鉸接方案，15組鉸在后續(xù)加勁梁段架設及橋面系鋪設過程中完成鉸固轉換。臨時鉸編號如圖6所示。

圖6 臨時鉸設置示意圖(黑圈代表臨時鉸接位置)

2.3 剛接時機的確定

在臨時鉸位置確定之后，便需要考慮臨時鉸剛接的時機。鉸接口剛接時機要考慮的因素有溫度及臨時荷載等具體條件。白洋長江大橋的計算分析是基于設計溫度及橋面無臨時荷載等條件。剛接時機與加勁梁吊裝、橋面系鋪設與加勁梁鉸固轉換同步進行，實現(xiàn)加勁梁、橋面系施工及臨時鉸固結階段空間立體多作業(yè)面施工并在橋面系鋪設完成前盡可能多地完成加勁梁臨時鉸體系轉換。通過結構非線性計算軟件 BNLAS 對白洋長江大橋鉸接口的設置及鉸固轉換方案進行動態(tài)規(guī)劃設計，計算荷載考慮了跨纜吊機自重荷載與起吊荷載，對所有臨時鉸接口施工中的變化規(guī)律進行分析，根據每個鉸接口在施工階段出現(xiàn)的無應力拼裝機會，綜合架梁、橋面系鋪設施工全過程分析選擇最佳轉換時機，以實現(xiàn)鉸接口的無應力鉸固轉換。

白洋長江公路大橋的具體鉸接口轉換時機的推薦順序如表2所示。

表2 白洋長江公路大橋臨時鉸剛接時機

2.4 加勁梁施工過程中主要構件應力

在加勁梁拼裝及橋面系施工過程中，加勁梁桿件及吊索的應力一直隨施工而變化，由于采用窗口鉸接法，通過合理設置鉸接口和鉸接口的剛接時機，將加勁梁桿件及吊索的應力控制在設計允許的合理范圍內。表3為采用15組臨時鉸方案，加勁梁桿件及吊索的最大應力與最小應力計算值。

由表3可知：加勁梁的弦桿和腹桿以及吊索的內力均滿足設計要求。

表3 加勁梁及橋面系施工過程中的主要構件應力

2.5 窗口鉸接法的具體實施

(1) 全橋共設置15組臨時鉸，起重設備能力和結構內力均能滿足設計要求。

(2) 加勁梁吊裝階段進行10組臨時鉸接口的鉸固轉換。

(3) 橋面板鋪裝階段進行5組臨時鉸接口的鉸固轉換。

(4) 鉸固轉換過程中結構內力均能滿足設計要求。

綜上所述，加勁梁臨時鉸方案可行。施工單位可根據上述結果在吊梁及橋面系鋪設過程中實現(xiàn)加勁梁吊裝及臨時鉸固結階段空間立體多作業(yè)面施工，在橋面系鋪設階段完成加勁梁全部臨時鉸體系轉換，實現(xiàn)全橋臨時鉸接口的閉合，提高了施工作業(yè)效率，節(jié)約了配重方式體系轉換所需要的配重材料、施工設備和人力資源。

3 結語

以懸索橋加勁梁剛鉸轉換技術為研究對象，首先介紹了懸索橋加勁梁為什么要采用剛鉸轉換技術及剛鉸轉換技術的形式。并說明了剛鉸轉換技術的基本原理和相應的步驟。分析了各懸索橋加勁梁連接工法的優(yōu)缺點。并引用白洋長江公路大橋的實際案例對窗口鉸接法進行了詳細的闡述，可得剛鉸結合法結合了剛接法與鉸接法的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的剛鉸結合法剛鉸轉換的時機是待全部梁吊裝完成后再將大節(jié)段間的臨時連接進行固結，最終形成完整的加勁梁。此法鉸接時機過于集中影響施工的關鍵時期。窗口鉸接法對剛接時機進行改進，利用加勁梁架設階段和橋面系鋪設階段的加勁梁線形變化，實現(xiàn)臨時鉸接口逐步無應力固接。