拱橋吊裝施工斜拉扣掛和勁性骨架受力分析?

李建暉，肖新輝

（1.湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南吉首 416000；2.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

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拱橋吊裝施工斜拉扣掛和勁性骨架受力分析?

李建暉1，肖新輝2

（1.湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南吉首 416000；2.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

摘要：為了分析拱橋吊裝過程中斜拉扣掛索力、勁性骨架位移和穩(wěn)定安全系數(shù)，以磨刀溪特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用力矩平衡法?jì)算分析吊裝施工過程中斜拉扣掛索力，基于有限元軟件MIDAS建立考慮施工過程的數(shù)值模型，并基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，力矩平衡法能適用于拱橋勁性骨架吊裝施工過程斜拉扣掛索力的計(jì)算；隨著施工階段的累計(jì)，懸臂較小處骨架節(jié)段位移變化值較小，懸臂較大處累計(jì)位移較大；吊裝施工過程中，鋼拱圈穩(wěn)定性系數(shù)逐步降低，直至懸臂最大處安全系數(shù)降至最低；勁性骨架合龍后其安全系數(shù)呈現(xiàn)急劇上升趨勢。

關(guān)鍵詞：橋梁；拱橋；吊裝施工；斜拉扣掛；勁性骨架；受力分析

纜索吊裝廣泛運(yùn)用于鋼管砼施工中。各施工階段結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性安全系數(shù)極其重要。

在吊裝拼裝過程中，預(yù)制骨架節(jié)段底部采用焊接約束，頂部采用斜拉扣掛的形式錨固，依次循環(huán)進(jìn)行吊裝施工直至合龍。吊裝過程中斜拉扣掛索力是影響勁性骨架線形和成橋線形的關(guān)鍵因素之一。零彎矩法、零位移法、有限元法和力矩平衡法等常應(yīng)用于扣索索力計(jì)算中。力矩平衡法因其計(jì)算簡便，同時(shí)能滿足施工精度要求，在拱橋吊裝施工中應(yīng)用廣泛。吊裝過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移控制是線形控制的另一重要因素。拱橋在懸臂吊裝狀態(tài)下骨架的穩(wěn)定性遠(yuǎn)小于合龍狀態(tài)，需對各施工階段的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該文以敘古（敘永—古藺）高速公路磨刀溪特大橋拱橋勁性骨架吊裝施工為工程背景，采用力矩平衡法計(jì)算斜拉扣掛索力，在此基礎(chǔ)上采用有限元軟件對勁性骨架關(guān)鍵點(diǎn)的位移進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析各施工階段骨架的安全系數(shù)。

1　工程概況和施工工況

磨刀溪特大橋主橋?yàn)殇摻铐艅判怨羌苌铣惺焦皹颍鐝絃=280 m，凈失跨比f/L=3.7∶1，拱軸系數(shù)m=2.2，為等高截面懸鏈線無鉸拱。采用先分段纜索吊裝勁性骨架并合龍，再澆筑砼，施工拱上立柱，最后纜索吊裝橋面系28 m小箱梁的施工方案。勁性骨架由對稱的5個節(jié)段拼裝而成，用J i表示節(jié)段編號。每個節(jié)段又分為2個小節(jié)段，用J i-j表示小節(jié)段編號。將吊裝施工工況按照勁性骨架的小節(jié)段進(jìn)行編號（見圖1、表1）。

圖1　磨刀溪吊裝施工示意圖

表1　吊裝節(jié)段重量及長度

2　斜拉索索力分析

力矩平衡法是在吊裝施工過程中保持鋼管拱根部力矩為零的一種簡化計(jì)算方法，索力計(jì)算見圖2。

圖2　力矩平衡法索力計(jì)算簡圖

如圖2所示，當(dāng)?shù)谝还?jié)段吊裝完畢，其他勁性骨架階段尚未進(jìn)行施工時(shí)，1#索只承擔(dān)第一節(jié)段的重量，對拱腳取矩，得到力矩平衡方程：

當(dāng)1節(jié)段焊接完成，進(jìn)行2節(jié)段吊裝施工時(shí)，1 和2節(jié)段同時(shí)受力，則2#扣索索力T2按下式計(jì)算：1#索索力受到擾動，取值將有所變化，其表達(dá)式為：

依次類推，計(jì)算后續(xù)施工工況。

吊裝過程中斜拉索索力控制精度的大小直接關(guān)系到勁性骨架安裝線形的精度和拉索施工的安全系數(shù)。采用力矩平衡法對拉索索力進(jìn)行計(jì)算，各施工階段索力計(jì)算值見表2。采用振弦索力測量儀對每個施工過程進(jìn)行索力監(jiān)測，確保計(jì)算精度。對比分析施工現(xiàn)場測量值和計(jì)算索力值（見圖3），各施工階段實(shí)測索力和理論計(jì)算索力的誤差在5%以內(nèi)；在工況J3-1階段，扣索1出現(xiàn)最大索力誤差，為-3.8%；在工況J5-1階段，扣索2、扣索3、扣索4誤差最大，分別為4%、3.2%、3.6%。

表2　扣索各工況受力　k N

圖3　不同施工工況扣索索力誤差

3　吊裝階段勁性骨架位移和穩(wěn)定性分析

3.1勁性骨架位移分析

精確求解勁性骨架吊裝階段關(guān)鍵截面的位移值，能為拱橋施工提供施工預(yù)抬值，確保拱橋拱圈的線形與設(shè)計(jì)線形貼合。

采用有限元軟件MIDAS/Civil建模，全橋節(jié)點(diǎn)、單元分別為813和881個。采用梁單元模擬主拱圈和上部結(jié)構(gòu)、桁架單元模型扣鎖和尾索，分9個細(xì)部施工階段模擬勁性骨架吊裝施工全過程。有限元模型見圖4。選取勁性骨架節(jié)段與節(jié)段焊接位置為位移關(guān)鍵點(diǎn)，用yji表示。需說明的是，勁性骨架受斜拉扣索和其自重共同作用，關(guān)鍵點(diǎn)位移有可能出現(xiàn)正位移（z方向向上）和負(fù)位移（z方向向下）。

為驗(yàn)證各施工階段位移計(jì)算值的準(zhǔn)確性，在各階段端部焊接棱鏡頭，觀測各施工工況關(guān)鍵截面的位移值。結(jié)果見圖5、表3。

由表3可知：隨著施工階段的累加，關(guān)鍵點(diǎn)yj1-1和yj2-1的位移呈現(xiàn)正增長趨勢，造成該現(xiàn)象的因素為斜拉索的增加，索力大于骨架重力。而關(guān)鍵點(diǎn)yj3-1、yj4-1和yj5-1下?lián)馅厔菝黠@，主要原因?yàn)槭┕るA段懸臂過長，骨架自身出現(xiàn)下?lián)献冃?。通過位移監(jiān)測對比模型數(shù)據(jù)，兩者之間誤差在5 mm以內(nèi)，證明模型計(jì)算準(zhǔn)確。

圖4　磨刀溪有限元模型

圖5　J5-1階段勁性骨架位移云圖

表3　各施工階段的位移值　mm

3.2穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是確保施工安全的重要方面，在最不利工況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也需進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算。不論拱端的約束情況、拱軸線選取什么樣的形式，求解拱的臨界軸壓力可近似歸結(jié)為求拱的計(jì)算長度的問題。參照中心受壓桿臨界荷載計(jì)算公式，拱的臨界壓力（拱四分點(diǎn)截面處的臨界軸壓力）表達(dá)式為：

式中：［N］為臨界荷載；E為拱圈剛度矩陣；I為慣性矩；S0為拱軸線計(jì)算長度的一半。

對于復(fù)雜的鋼管砼結(jié)構(gòu)，由于其桿系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難手動建立其剛度矩陣。通過在有限元平臺建立其荷載和剛度矩陣，對其進(jìn)行屈曲分析。

穩(wěn)定性安全系數(shù)表達(dá)式為：

式中：N為勁性骨架所受的拱軸方向的作用荷載。

計(jì)算得各施工階段骨架安全系數(shù)分布見圖6。

圖6　施工階段骨架安全系數(shù)分布

由圖6可知：在吊裝階段，J1-1～J5-1纜索的安全系數(shù)維持在一個較高且穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著施工階段的持續(xù)累加，鋼拱圈穩(wěn)定性系數(shù)逐步降低，直至合龍前J5-1工況安全系數(shù)降至最低（為4.2）；勁性骨架合龍后其安全系數(shù)呈現(xiàn)急劇上升的趨勢，合龍后勁性骨架安全系數(shù)為10.2。

4　結(jié)論

該文以磨刀溪特大橋拱橋勁性骨架吊裝施工為工程背景，對斜拉扣掛索力、勁性骨架關(guān)鍵點(diǎn)的位移、穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）力矩平衡法適用于拱橋吊裝過程中斜拉扣掛索力計(jì)算，具有計(jì)算簡便和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

（2）勁性骨架吊裝施工位移分析和位移監(jiān)測能為相似跨徑拱橋施工提供預(yù)抬值參考。

（3）吊裝施工過程中，鋼拱圈穩(wěn)定性系數(shù)逐步降低，直至懸臂最大處安全系數(shù)降至最低；勁性骨架合龍后，其安全系數(shù)呈現(xiàn)急劇上升的趨勢。需高度關(guān)注最大懸臂施工階段骨架的穩(wěn)定性。

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式中：x1、y1分別為索T1扣點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

中圖分類號：U448.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0169-03

基金項(xiàng)目：?橋梁結(jié)構(gòu)安全控制湖南省工程實(shí)驗(yàn)室（長沙理工大學(xué)）開放基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-16