特大跨徑懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

吳勝東　馮兆祥　蔣波

江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部江蘇南京210004

　　潤(rùn)揚(yáng)大橋南汊懸索橋跨徑達(dá)l490 m，其上部結(jié)構(gòu)安裝是整個(gè)項(xiàng)目的主要技術(shù)難點(diǎn)，施工工序繁多、設(shè)備配置多樣、轉(zhuǎn)換工藝復(fù)雜，與國(guó)內(nèi)同類(lèi)型橋梁相比具有鮮明的代表性，在設(shè)計(jì)、施工中存在很多值得進(jìn)一步分析、研究的難點(diǎn)。貓道架設(shè)國(guó)內(nèi)千米級(jí)懸索橋均采用設(shè)抗風(fēng)纜結(jié)構(gòu)，潤(rùn)揚(yáng)大橋采用的無(wú)抗風(fēng)纜貓道具有節(jié)約工期、節(jié)省材料、通航安全等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)施中仍缺乏可借鑒的技術(shù)，特別是抗風(fēng)穩(wěn)定性和減振性能需進(jìn)一步研究。主纜架設(shè)中每根主纜由l84根索股組成，單根索股平均長(zhǎng)度達(dá)2580m以上、重約58t，主纜架設(shè)牽引距離長(zhǎng)、重量大，如何確保架設(shè)質(zhì)量、提高牽引效率，克服常見(jiàn)質(zhì)量通病，需要對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。鋼箱梁吊裝梁段長(zhǎng)、自重大，其標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)32.2m、重492t、梁段最大吊裝重達(dá)506t，這就對(duì)吊裝設(shè)備提出了很高的要求，國(guó)內(nèi)外  現(xiàn)有的設(shè)備尚不能滿足，需要投入大量的資金租用并改造，自主研發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、安全高效的跨纜吊機(jī)顯得非常必要。

　　通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已建成特大跨徑懸索橋進(jìn)行對(duì)比、分析，結(jié)合潤(rùn)揚(yáng)大橋的實(shí)際情況，對(duì)懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工中的關(guān)鍵問(wèn)題，即無(wú)抗風(fēng)纜貓道設(shè)計(jì)與施工、主纜索股牽引新系統(tǒng)的形成、鋼箱梁吊裝專(zhuān)用設(shè)備的研制開(kāi)展研究，不僅可以保證潤(rùn)揚(yáng)大橋的建設(shè)質(zhì)量，還可以推動(dòng)大跨徑懸索橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)今后類(lèi)似工程建設(shè)具有十分重要的借鑒意義。

1、無(wú)抗風(fēng)纜貓道抗風(fēng)減振技術(shù)研究

    潤(rùn)揚(yáng)大橋貓道采用了無(wú)抗風(fēng)纜設(shè)計(jì)，為上下游對(duì)應(yīng)于主纜中心線下方各設(shè)一幅貓道，每幅長(zhǎng)度為2555m，寬度4．0m。貓道線形與主纜空纜平行，矢高為l35．362 m。每幅貓道由l0+54根承重纜、扶手繩(+20和616兩種)、絲網(wǎng)、門(mén)架等組成，彈性模量為l.3x105MPa，靜力失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速為58m/s。

　　1.1正交風(fēng)作用下貓道靜力穩(wěn)定性研究

    進(jìn)行貓道靜力三分力系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)。試驗(yàn)在西南交通大學(xué)單回流串聯(lián)雙試驗(yàn)段工業(yè)風(fēng)洞(XNJD.1)第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，貓道節(jié)段模型采用1：6的幾何縮尺比，在均勻流條件下測(cè)量了貓道節(jié)段模型靜力三分力系數(shù)：試驗(yàn)風(fēng)速為：V=10m/s、20m/s、30m/s；試驗(yàn)攻角為：α=一20°+20°，Δα=2°。利用貓道節(jié)段靜力三分力試驗(yàn)結(jié)果，采用有限元分析軟件BSSAP對(duì)貓道進(jìn)行非線性抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性分析。

    經(jīng)計(jì)算可得貓道各截面處在不同風(fēng)速下的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉(zhuǎn)角則以中跨跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角為最大。靜力發(fā)散風(fēng)速為71m/s，高于靜力失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速58m/s�？傻贸銎湓跈M橋向風(fēng)作用下抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性安全。

　　1.2非正交風(fēng)作用下貓道靜力穩(wěn)定性研究

    首先進(jìn)行靜力六分力系數(shù)測(cè)定。為此，專(zhuān)門(mén)研制了六分力系數(shù)測(cè)量裝置，貓道模型采用1：12的幾何縮尺比，測(cè)力模型長(zhǎng)度為1.0m，兩端各放置長(zhǎng)度為0.5m的假模型，以消除端部效應(yīng)的干擾。轉(zhuǎn)動(dòng)支架可在水平面內(nèi)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變模型的β角；轉(zhuǎn)動(dòng)支架還可在豎平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變模型的γ角；模型可繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變模型的攻角α模型上篩網(wǎng)的透風(fēng)率與實(shí)型上的透風(fēng)率保持一致。

    風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)利用六分力試驗(yàn)結(jié)果，分析軟件仍采用有限元分析軟件BSSAP，計(jì)算時(shí)考慮貓道結(jié)構(gòu)的非線性影響。

分析計(jì)算分別針對(duì)風(fēng)偏角β=0°、5°、10°、l5°、20°、30°、45°、60°等八種情況。

    經(jīng)計(jì)算可得貓道各截面處在不同風(fēng)速時(shí)的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉(zhuǎn)角則以中跨跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角為最大。

    計(jì)算表明，當(dāng)β=10°時(shí)貓道的靜力失穩(wěn)風(fēng)速最低，為62m/s。該風(fēng)速仍高于靜力失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速，因而，在非正交風(fēng)作用的條件下，抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性仍能滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

　　1.3紊流風(fēng)作用下貓道的抖振響應(yīng)分析

    為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模擬時(shí)假定紊流風(fēng)場(chǎng)沿跨度方向變化，而沿矢高方向不變。取貓道1/3矢高處三個(gè)風(fēng)速26.4m/s，13.2m/s，6.6m/s，對(duì)應(yīng)橋面處風(fēng)速為4.4m/s，12.2m/s，6.1m/s進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型與前面靜風(fēng)穩(wěn)定性所用的計(jì)算模型相同。

    計(jì)算結(jié)果可得，即使在26.4m/s的風(fēng)速情況下，貓道結(jié)構(gòu)的抖振位移仍較小。可以得出，紊流風(fēng)對(duì)貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性影響較小，在貓道抗風(fēng)設(shè)計(jì)中可不考慮其影響。

　　1.4結(jié)構(gòu)布置的比較研究

    貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性研究顯示，貓道結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是以?xún)蓹M通道之間的小跨跨中扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速急劇增大為特征，這表明兩橫通道之間的跨距是影響貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性的主要因素。為了深入考察上述因素的影響，為今后大跨懸索橋貓道抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，采用非線性分析方法對(duì)五種貓道架設(shè)方案進(jìn)行分析研究，得到如下結(jié)論：

橫通道之間小跨跨距明顯影響其跨中扭轉(zhuǎn)角的大��；門(mén)架及上承重繩可有效減小橫通道之間小跨跨中扭轉(zhuǎn)角，從而提高抗風(fēng)穩(wěn)定性，對(duì)于潤(rùn)揚(yáng)大橋，設(shè)置門(mén)架及上承重繩可使貓道抗風(fēng)能力提高50％以上。

　　1.5貓道減振措施研究

    采用l：20貓道模型研究減振繩及阻尼器的布置方式及工作參數(shù)。試驗(yàn)進(jìn)行了三種減振繩方案及阻尼器方案減振效果的測(cè)試。采用激振器對(duì)貓道施加諧波激勵(lì)，諧波激勵(lì)的頻率按不同工況分別與貓道小跨內(nèi)豎彎、橫彎、扭轉(zhuǎn)頻率相對(duì)應(yīng)，可分別比較出各減振方案的減振效果。

    減振繩方案1和方案3采用交叉減振繩，其對(duì)豎彎、橫彎及扭轉(zhuǎn)均有減振效果；減振繩方案2采用平行減振繩，其對(duì)橫彎有減振效果，對(duì)扭轉(zhuǎn)的減振效果較差，對(duì)豎彎幾乎無(wú)效果；而阻尼器方案只對(duì)橫彎有減振效果，對(duì)豎彎和扭轉(zhuǎn)均無(wú)效果，對(duì)橫彎的減振效果也較減振繩方案差。綜合比較上述四種方案，減振繩方案3的減振效果最佳。

2、主纜索股牽引新系統(tǒng)研究

    潤(rùn)揚(yáng)大橋由兩根總重約21000t的主纜作為吊掛鋼箱梁的受力結(jié)構(gòu)，主纜索股架設(shè)采用PPWS施工方法。每根主纜由184束平行鋼絲束股構(gòu)成，每束索股又由l27絲中5．3mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲編制組成，單根索股單位長(zhǎng)度重為22．06 k9/m、重約58t，長(zhǎng)約26000m，重量和長(zhǎng)度均居國(guó)內(nèi)第一。

　　2.1總體方案研究

    在已建成的現(xiàn)代懸索橋中，對(duì)采用PPWS工法施工的主纜牽引系統(tǒng)作了深入的研究分析和比較，特別對(duì)特大跨徑的日本明石海峽大橋以及我國(guó)江陰長(zhǎng)江公路大橋、虎門(mén)大橋、廈門(mén)海滄大橋等的主纜施工牽引系統(tǒng)進(jìn)行了比較，得出門(mén)架式牽引系統(tǒng)具有安全、高效的優(yōu)勢(shì)，雙線往復(fù)牽引方式因牽引索往返沒(méi)有空行程，牽引效率高、能耗較低的結(jié)論。經(jīng)綜合比較，最終確定潤(rùn)揚(yáng)大橋南汊懸索橋采用門(mén)架式牽引系統(tǒng)、雙線往復(fù)式牽引方式架設(shè)主纜索股。同時(shí)，將牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)與放索機(jī)構(gòu)分置于兩岸，減小主卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引索的運(yùn)行長(zhǎng)度，以降低牽引力。

　　2.2牽引系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備機(jī)具的研制

　　2.2.1大噸位牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)

    牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)作為牽引系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。本項(xiàng)目聯(lián)合國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)廠家開(kāi)發(fā)了25t專(zhuān)用快速智能卷?yè)P(yáng)機(jī)JKB25，該機(jī)具有無(wú)級(jí)變頻調(diào)速、智能化測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)、張力顯示等功能，可對(duì)牽引系統(tǒng)的速度、位置、張力進(jìn)行全程跟蹤顯示和自動(dòng)控制。

　　2.2.2主纜放索機(jī)構(gòu)

    主纜放索機(jī)構(gòu)主要由放索架(包括主軸和連軸器)、力矩電機(jī)(配控制器)、制動(dòng)器、減速機(jī)、齒輪副、電磁制動(dòng)器以及手制動(dòng)器等組成。放索速度l0～30m/min；反張力：600～1000kgf；適應(yīng)索盤(pán)：l800～4000mm。

    本次研制開(kāi)發(fā)的被動(dòng)式放索機(jī)構(gòu)，通過(guò)力矩電機(jī)給索盤(pán)提供相應(yīng)反力矩，保證放索速度與牽引速度一致，最大限度地減少了索股產(chǎn)生“呼啦圈”等現(xiàn)象。其工作機(jī)理為：主纜索股下盤(pán)的動(dòng)力由牽引系統(tǒng)牽引力提供，放索機(jī)構(gòu)設(shè)置力矩電機(jī)提供使索股張緊的反向力，此力的大小可根據(jù)使用要求設(shè)定。當(dāng)牽引系統(tǒng)提供的牽引力大于反向張緊力時(shí)，索股盤(pán)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，將索股從索盤(pán)上放出；反之。當(dāng)牽引力小于或等于反向張力時(shí)，索盤(pán)在力矩電機(jī)提供的反向張緊力作用下自動(dòng)停止，并始終使索股保持張緊狀態(tài)。索盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度追隨牽引速度的變化而變化，從根本上解決了兩系統(tǒng)的速度匹配問(wèn)題。

4、結(jié)語(yǔ)

    本次上部結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)研究，以潤(rùn)揚(yáng)大橋工程為依托，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新：

　　(1)首次建立了基于六分力試驗(yàn)的考慮非正交風(fēng)作用下的貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析方法及試驗(yàn)技術(shù)，建立了更完善的懸索橋施工貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，在國(guó)內(nèi)首次將減振系統(tǒng)應(yīng)用于改善貓道的工作性能。 

　　(2)自主開(kāi)發(fā)研制了具有能實(shí)現(xiàn)均衡放索的大噸位主牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)、被動(dòng)放索機(jī)構(gòu)，以及楔形構(gòu)造的拽拉器的新型牽引系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)合理、使用效果好。

　　(3)采用綜合集成技術(shù)，研制了具有結(jié)構(gòu)合理、適應(yīng)性強(qiáng)、安全高效的大噸位全液壓跨纜吊機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大跨徑懸索橋鋼箱梁全液壓吊裝專(zhuān)用設(shè)備的空白，提升了我國(guó)大跨徑懸索橋施工裝備水平。

    研究成果在潤(rùn)揚(yáng)大橋的成功應(yīng)用，不僅確保了工程建設(shè)安全順利，優(yōu)質(zhì)高效，而且在大型的關(guān)鍵設(shè)備上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，推動(dòng)了懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　本次研究由江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部、路橋集團(tuán)第二公路工程局、西南交通大學(xué)共同完成。在此，對(duì)所有項(xiàng)目組成員表示衷心的感謝。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)