浅谈自锚式结合梁悬索桥新型先缆后梁施工方法

2022-09-10

德国设计师1915年在科隆莱茵河上建造了第一座大型自锚式悬索桥。该种桥省去了巨大的锚碇, 将主缆锚固在主梁的两端, 由主梁平衡主缆巨大的水平力, 具有不需要修建大体积的锚碇、受地形地质限制小、外形美观的优点, 但也有为克服主缆水平轴向力而加大梁截面、施工复杂、造价高的缺点。自锚式悬索桥在中国研究和发展起步较晚, 但发展比较快, 目前, 正向着大跨度、复杂体系、从内陆到海上更深层次发展。自锚式悬索桥有多种结构形式, 独塔式、双塔式、多塔式自锚式悬索桥及自锚式-斜拉悬索桥等。由于其自身的受力特点, 自锚式悬索桥施工方法一般是先梁后缆法, 这种先缆后梁法适合于跨河或深谷时的情形, 但当跨度较大时, 为了完成主梁的架设, 需采用较多的临时设施、临时墩以及临时斜拉索等, 增加了工程造价, 也延缓了工程建造期, 必须要进行创新。

一、武汉市江汉六桥工程概况

武汉市江汉六桥是武汉市城市规划的第六座跨汉江通道, 全长1834.79m, 主跨采用252m自锚式悬索桥方案, 按照城市主干路一级双向8车道标准建设。桥跨布置为 (48+57+110+252+110+57+48) m。桥区航道现状为2级, 规划为内河2级;桥位位于汉江通航繁忙水域, 建桥期间要保证通航净空, 根据航道部门评估论证, 该桥中跨搭设临时墩的最大跨度达到90 m。

二、新型先缆后梁施工方法

在实地调研基础上, 本文结合武汉市江汉六桥架设90m通航孔的预制桥面板难点基础上, 提出利用主缆的承重能力完成预制桥面板架设的方法, 即新型先缆后梁法。该方法在钢梁顶推施工完成后先张拉吊索, 进行一次体系转换, 形成了钢梁悬索桥。此时, 由于主缆已参与受力, 钢梁具有较大的承载能力, 成功地解决了通航孔预制桥面板架设的问题, 且充分利用悬索桥主缆自身的承载能力, 省去了临时斜拉索, 经济性较高。

具体施工步骤如下:第一, 根据临时通航要求布置临时墩, 在一侧搭设顶推平台。第二, 钢梁前端安装前导梁和辅助桁架, 进行钢梁顶推。第三, 钢梁顶推到位后, 浇筑锚跨混凝土梁, 并张拉预应力, 吊装塔顶鞍座, 架设主缆。第四, 安装吊索, 并进行一次初张拉, 形成了钢梁悬索桥, 钢梁已具备一定承载能力。此时可拆除跨中的临时墩, 临时通航孔跨度达到了154m。第五, 利用桥面吊机铺设边跨及部分中跨混凝土桥面板。一边铺设桥面板一边张拉吊索, 浇注湿接缝, 形成结合梁;附属结构施工, 铺装桥面。

三、新型先缆后梁施工方法优势比较分析

(一) 施工辅助设施比较分析

先梁后缆法在吊装通航孔桥面板时, 需要在主体结构上焊接锚箱和其它加强构造, 还需要大量辅助斜拉索, 对主体结构有一定影响, 且耗费临时工程量较大;新型先缆后梁法在吊装通航孔桥面板时则利用主缆和吊索永久构件提供支撑, 省去了临时锚箱、辅助斜拉索和其它加强构造。

(二) 对通航孔的影响比较分析

两种方法在钢梁顶推时均设置90m的通航孔, 先梁后缆法在整个施工过程中均须使用临时墩作为支撑, 直到成桥后方可拆除。由于桥位处汉江船舶自由航迹线与中跨跨中临时墩有一定冲突, 使得该临时墩船撞风险较高;本文所提出的新型先缆后梁法在安装主缆并张拉吊索后, 可拆除中跨跨中附近的临时墩, 使得通航孔达到约150m, 减小施工过程中临时墩被船撞的风险。

(三) 结构受力比较分析

自锚式悬索桥进行体系转换时机不同, 成桥后结构内力和应力也不同。本文采用空间非线性有限元分析软件BNLAS建立全桥计算模型, 其中主缆及吊索采用只受拉索单元模拟, 采用双层梁单元分别模拟钢梁和混凝土桥面板, 桥塔采用梁单元模拟。

1、钢梁、桥面板轴力钢梁轴力对比。

在自锚式悬索桥的边跨以及桥塔附近, 两种方法的钢梁轴力和混凝土桥面板轴力比较接近;在中跨跨中位置, 新型先缆后梁法的钢梁轴力较先梁后缆法的大, 而混凝土桥面板轴力较先梁后缆法的小。先梁后缆法钢梁和桥面板轴力按照其本身刚度去分配;新型先缆后梁法在钢梁顶推完成后即部分张拉吊索进行体系转换, 后吊装的桥面板只受到后续主缆轴力增加产生的轴力, 因此中跨跨中部分桥面板轴力较小而钢梁轴力较大。

2、钢梁、桥面板应力钢梁应力对比。

两种方法边跨的钢梁、桥面板应力比较接近, 在中跨跨中部分先梁后缆法钢梁应力较低, 而新型先缆后梁法较高, 混凝土桥面板与之相反。经过验算, 成桥阶段和后期运营阶段, 两种方法的钢梁和混凝土桥面板应力都能满足使用要求, 主体结构安全均可以保证, 但新型先缆后梁法在施工经济性和安全性上有较大优势。

四、结语

综上所述, 武汉市江汉六桥采用新型先缆后梁的施工方法, 施工完成后, 主桥线形、内力均符合设计要求。自锚式结合梁悬索桥新型先缆后梁施工方法减少了临时辅助结构的使用, 降低了施工期间船撞风险和工程造价, 具有良好的经济效益。

摘要：自锚式悬索桥是一种将主缆锚固在自身加劲梁上的桥式结构, 因其跨越能力强, 优点比较突出, 因而得到了越来越广泛的应用。在跨度较大且跨越通航河流或深谷时, 自锚式结合梁悬索桥如果仍采用传统方法施工, 将会导致临时设施多、工期长、造价高等问题。本文提出一种先缆后梁的施工方法, 具有良好的科学性、适用性和经济型。

关键词：自锚式结合梁悬索桥,先缆后梁,结构受力,施工策略