超高矢跨比拱橋拱肋吊裝穩(wěn)定性分析*

王 林 邢朝偉 王 芳

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003)

超高矢跨比拱橋拱肋吊裝穩(wěn)定性分析*

王 林 邢朝偉 王 芳

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003)

在考慮風(fēng)荷載和溫度荷載作用下,通過3種吊裝方案對(duì)比分析研究拱肋的穩(wěn)定性.結(jié)果顯示,在施工中溫度荷載對(duì)穩(wěn)定性影響很小，而風(fēng)荷載影響較大，方案3整體翻轉(zhuǎn)吊裝最為安全.最后對(duì)方案3中翻轉(zhuǎn)提升支架穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)表明，滿足施工安全穩(wěn)定要求.

穩(wěn)定性；風(fēng)荷載；溫度荷載；施工方案; 支架

隨著鋼箱拱橋矢跨比的增大、結(jié)構(gòu)的纖細(xì)，拱肋的穩(wěn)定性成為了制約拱橋跨徑進(jìn)一步增大和拱橋美觀的最重要因素之一[1-2].在工程實(shí)際中, 對(duì)已發(fā)生的拱橋事故調(diào)查表明, 事故大多發(fā)生在拱橋的施工過程中, 尤其是以拱肋在施工過程中的失穩(wěn)最為突出[3-4].在橋梁施工過程中, 橋跨結(jié)構(gòu)體系受力關(guān)系的不斷轉(zhuǎn)換, 整體承載力尚未達(dá)到設(shè)計(jì)水平[5-7];鋼箱拱橋自重輕，且施工工況不同于設(shè)計(jì)承載工況，結(jié)構(gòu)處于未完成階段，與成型結(jié)構(gòu)相比剛度小，尤其在風(fēng)荷載和溫度荷載作用下，相對(duì)易發(fā)生失穩(wěn).因此，施工前必須做好方案設(shè)計(jì)，保證穩(wěn)定性，安全施工.

1 算 例

1.1 工程概況

某大橋采用5跨連續(xù)中承式提籃拱橋，主橋共設(shè)置3孔拱肋，單孔2片拱肋間設(shè)置異性風(fēng)撐，拱肋采用矩形拱肋鋼箱截面，K10孔拱和K12孔拱為單箱單室斷面，K11孔拱為單箱雙室斷面，拱肋為全鋼焊結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345qE.見圖1.

圖1 整體效果圖

本文主要研究K11孔拱的起吊，高度67 m, 凈度130 m，矢跨比為1/1.940，拱肋鋼箱高度3.5 m、寬3.8 m；頂、底板厚20 mm，腹板厚20 mm，拱肋在近拱腳位置局部頂板、底板、腹板加厚至30 mm，內(nèi)部設(shè)置縱、橫向加勁鋼板和普通橫隔板，在風(fēng)撐對(duì)應(yīng)位置，拱肋內(nèi)部設(shè)置風(fēng)撐橫隔板.縱向加勁鋼板厚16 mm.橫向加勁鋼板及橫隔板在順橋向的間距基本為1 500 mm、厚16 mm.有吊桿通過位置采用豎直布置的橫隔板，厚25 mm.采用有限元軟件Midas/civil模擬計(jì)算，共建節(jié)點(diǎn)2 586，梁?jiǎn)卧?0 339，吊索采用GB/T8918—1996《鋼絲繩》中6×19-Φ32-1770型鋼絲繩，其技術(shù)參數(shù)如表1.

表1 鋼絲繩的技術(shù)參數(shù)

該工程施工難度大，地理位置復(fù)雜，環(huán)境惡劣，重量大，風(fēng)速大，在施工中應(yīng)當(dāng)適時(shí)監(jiān)控，對(duì)吊點(diǎn)，扣點(diǎn)，薄弱部位.

1.2 穩(wěn)定系數(shù)

在拱橋施工和運(yùn)營(yíng)過程中，穩(wěn)定系數(shù)是一項(xiàng)重要指數(shù)，現(xiàn)在通用的計(jì)算方法有

KU+KGU=P

式中:K為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣；KG為結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣；U為結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移向量；P為結(jié)構(gòu)的外力向量.

當(dāng)荷載不斷增加，則結(jié)構(gòu)位移會(huì)增大，小變形情況下，P增加λ倍時(shí)，幾何剛度矩陣及桿端力增加λ倍，故

(K+λKG)U=λP

當(dāng)λ足夠大時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到隨遇平衡狀態(tài)(即當(dāng)U=U+ΔU)上述公式滿足

(K+λKG)(U+ΔU)=λP

同時(shí)滿足以上2式的條件為：

(K+λKG)ΔU=0

該方程說明存在某個(gè)λ和相應(yīng)的ΔU，荷載P為零時(shí)也能產(chǎn)生位移ΔU，這時(shí)結(jié)構(gòu)失去了抵抗能力，也就喪失了穩(wěn)定性.由ΔU有非零解得到：

|K+λKG|=0

上式為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的控制方程(特征值方程)，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定荷載為λP.當(dāng)結(jié)構(gòu)有n個(gè)自由度則有n個(gè)特征值，且最小的特征值λcr表示，即穩(wěn)定系數(shù)

當(dāng)λ>0時(shí)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)λ=0時(shí)結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)，當(dāng)λ<0時(shí)結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)狀態(tài).

1.3 鋼箱拱肋吊裝方案

1.3.1 方案1 在橋址地面進(jìn)行拱肋組合拼裝(拱肋結(jié)構(gòu)中心線與橋梁中心線重合)，成拱后垂直提升，在拱腳處設(shè)置合攏段與V型橋墩的預(yù)埋段焊接；鋼箱拱肋安裝施工流程如下.

橋位正下方地面進(jìn)行場(chǎng)地硬化、胎架搭設(shè)；各拱肋節(jié)段運(yùn)輸?shù)桨惭b橋位后在胎架上節(jié)段臥拼成1/4拱，并進(jìn)行焊接.

1) 組裝提升塔架，翻轉(zhuǎn)拱肋，并調(diào)整好偏轉(zhuǎn)角度，把臥拼好的1/4拱肋立轉(zhuǎn)至102.8°位置,并組裝焊接橫撐成1/2拱，此過程的穩(wěn)定系數(shù)見圖2，并在拱肋腳部各布置一臺(tái)滑移小車，小車由卷揚(yáng)機(jī)牽引，隨拱肋提升內(nèi)收.

2) 緩慢提升拱肋吊點(diǎn)高度，同時(shí)卷揚(yáng)機(jī)牽引拱肋末端滑移.直至拱肋對(duì)接合攏，并完成拱肋、橫撐合龍部位焊接，該過程的穩(wěn)定性系數(shù)變化值見表2(Θ為拱頂拱角連線與水平面夾角).

3) 轉(zhuǎn)換提升支架(拆除中間塔架，在拱腳四角位置安裝4組塔架)，拆除拱腳部位滑移小車，然后進(jìn)行緩慢提升.

4) 整體提升至V形橋墩位置，調(diào)整拱腳偏差，將拱腳與V形橋墩的預(yù)埋段焊接，然后拆除塔架等設(shè)備，拱肋補(bǔ)涂，安裝完成，整體起吊時(shí)穩(wěn)定系數(shù)見圖3.

圖2 1/4拱肋的翻轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性

圖3 整體拱肋起吊時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)

工況Θ/(°)01020起立后合并后自重+風(fēng)載+溫度荷載5.4184.7453.7813.4113.3813.504自重+風(fēng)荷載7.1794.7943.8193,4523.443.445自重+溫度荷載5.5915.6725.7685.8465.9147.187

1.3.2 方案2 在橋梁中心線附近選擇合理的塔架搭設(shè)位置，搭設(shè)一次性塔架(提升塔架的位置應(yīng)滿足能進(jìn)行第一次將拱肋提升到準(zhǔn)確的中間對(duì)接狀態(tài)，又能完成中間對(duì)接后將拱肋提升到安裝高度).在橋位地面進(jìn)行進(jìn)行1/2拱肋組拼(拱肋結(jié)構(gòu)中心線與橋梁中心線重合)，將1/2拱肋垂直提升到設(shè)計(jì)高度，對(duì)拱肋、橫撐合龍部位進(jìn)行焊接，最后進(jìn)行整拱提升，其余階段施工流程均同方案一.此過程的穩(wěn)定系數(shù)分別見圖4、表3、圖5.

圖4 1/4拱肋翻轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)

圖5 整體拱肋起吊的穩(wěn)定系數(shù)

工況Θ/(°)0102030起立后合并后 自重+風(fēng)載+溫度荷載0.48220.49200.4430.48220.69273.232自重+風(fēng)荷載0.48230.49230.4430.48230.69293.238自重+溫度荷載6.09905.41005.4005.20105.10409.952

1.3.3 方案3 在橋位地面進(jìn)行單片拱肋整體組拼(拱腳位于V形墩斜腿頂面正下方).同時(shí)，在相鄰2 V形墩中線上搭設(shè)2個(gè)一次性塔架，待單片拱肋焊接成型后通過塔架將兩側(cè)單片拱肋翻轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)斜平面內(nèi)(即均與水平面呈12.8°)，對(duì)拱肋、橫撐合攏部位進(jìn)行焊接.最后進(jìn)行整體垂直提升，在拱腳處設(shè)置合攏段與V形橋墩的預(yù)埋段焊接.施工方案比選，見表4.

表4 施工方案比選

1) 橋位正下方地面進(jìn)行場(chǎng)地硬化、胎架搭設(shè)；各拱肋節(jié)段運(yùn)輸?shù)桨惭b橋位后在胎架上節(jié)段臥拼成1/2拱，并進(jìn)行焊接.

2) 通過塔架將兩側(cè)單片拱肋翻轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)斜平面內(nèi)(即均與水平面呈12.8°位置).此時(shí)拱肋的穩(wěn)定系數(shù)見圖6.

3) 對(duì)拱肋、橫撐合龍部位進(jìn)行焊接，使兩片拱肋連成整體.

4) 通過塔架利用吊索將焊接風(fēng)撐后的拱肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體提升，直至拱腳提升到V形橋墩位置.此過程的穩(wěn)定系數(shù)變化如圖7.

5) 調(diào)整拱腳偏差，將拱腳與V形橋墩的預(yù)埋段焊接，然后拆除塔架等設(shè)備，拱肋補(bǔ)涂，安裝完成.

圖6 1/2拱肋翻轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定系數(shù)

圖7 整體起吊時(shí)拱肋時(shí)穩(wěn)定系數(shù)

2 整體提升起吊支架的穩(wěn)定性分析

本提升支架采用常備萬能桿件拼裝焊接雙柱門式塔結(jié)構(gòu)，南、北岸支架總高度為110 m.寬度為7 m，支架中心距9 m主柱中心采用常備式萬能桿件為共有節(jié)點(diǎn)834，單元3 875，柱子采用Q235圓管鋼直徑為0.5 m壁厚為0.05 m，柱子之間采用斜撐HW244×252，橫梁采用HW344×348，風(fēng)纜索采用直徑為19 mm的鋼絲繩，在橫向聯(lián)系梁中上弦桿采用Q345HN692×300，橫向聯(lián)系梁中的腹桿采用LH450×250.

在拱肋整體提升時(shí)，南、北兩岸提升支架頂部各設(shè)2臺(tái)5 000 kN千斤頂，1臺(tái)40 L/ min流量的液壓泵站，同時(shí)配備1臺(tái)長(zhǎng)距離傳感器和1臺(tái)長(zhǎng)行程傳感器，為了測(cè)定提升結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的高程，同時(shí)在每個(gè)千斤頂?shù)南露税惭b安全錨，為了保證在翻轉(zhuǎn)過程中千斤頂發(fā)生故障時(shí)，臨時(shí)錨固吊索，方便維修或者更換千斤頂.

圖8 拱肋提升支架模型

當(dāng)拱肋整體提升時(shí)，支架頂部承受施工時(shí)的施工中整體荷載包括機(jī)械重力、施工荷載、拱肋的整體整重力荷載和風(fēng)荷載.由于在施工中溫度荷載對(duì)整體提升支架影響較小，可以忽略不計(jì)，施工的施工中的提升支架荷載工況共分為：(1) 工況一.支架在搭建完成后只承受自重影響，自重;(2) 工況二.支架搭建完成后，受到風(fēng)荷載影響，自重+風(fēng)荷載;(3) 工況三.拱肋正常整體起吊施工，吊索受到的拉力為施工荷載作用在支架頂部，自重+風(fēng)荷載+施工中整體荷載;(4) 工況四.自重+縱向風(fēng)荷載;(5) 工況五.自重+縱向風(fēng)荷載+施工中整體荷載.在不同的荷載施工下,本文采用前四階的穩(wěn)定系數(shù)值作為施工參考值，五種工況下最小穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)采用,見表5.

表5 支架各個(gè)工況下的穩(wěn)定系數(shù)

3 結(jié) 束 語

1) 根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)：對(duì)于拱肋寬跨比小于1/20的拱橋，必須進(jìn)行施工及成拱階段拱的面內(nèi)、面外穩(wěn)定承載力驗(yàn)算，對(duì)于大跨度拱橋和無支架施工的拱橋，規(guī)定拱肋穩(wěn)定系數(shù)K>4，在以上3種方案中，方案3相對(duì)于其他方案穩(wěn)定系數(shù)比較容易保證，且最小為6.3 ，而方案1最小穩(wěn)定系數(shù)為1.41，方案2最小穩(wěn)定系數(shù)為0.37，方案3穩(wěn)定系數(shù)最大，且滿足規(guī)范要求，故選用方案3為施工方案.

2) 從3種方案對(duì)比可知，風(fēng)荷載對(duì)施工的穩(wěn)定性起到很大的作用，其中在最小穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，考慮風(fēng)荷載時(shí)為6.3，不考慮時(shí)是21.57，相差3.42倍，溫度荷載則對(duì)穩(wěn)定性影響較小.

3) 整體翻轉(zhuǎn)方案經(jīng)濟(jì)，穩(wěn)定性好，容易施工.

4) 在整體提升支架施工時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)最小值為4.61，支架的穩(wěn)定滿足施工規(guī)范要求.

[1]程 進(jìn),江見鯨.肖汝誠(chéng).等.大跨度拱橋極限承載力的參數(shù)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2003(2)：45-47.

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Stability Analysis of Ultra-high Rise-span Ratio to Arch Bridge Ribs Hoisting

WANG Lin XING Chaowei WANG Fang

(SchoolofArchitecturalandCivilEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China)

Based on the comparison and analysis of arch rib stability considering the temperature loads and wind loads in three hoisting plans,the results show that the influence of temperature loads on stability is small and the influence of wind is bigger, the third plan that overall flip lifting program is the safest. Finally, the stability of bracket is analyzed when enhancing the overall of the third program and the result shows that it meets the requirements of construction safety and stability.

stability;wind loads;temperature loads;hoisting plans; bracket

2015-03-10

*江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：BY2012182)

U488

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.011

王林(1963- )：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程