懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋施工扣索索力控制

王豐華

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067)

懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋施工扣索索力控制

王豐華

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

摘要：斜拉扣掛系統(tǒng)施工的大跨度鋼筋混凝土拱橋索力確定通常分為拱圈施工階段索力調(diào)整及合龍前2次調(diào)索2個(gè)步驟，而2次調(diào)索需在初始索力及拆索順序確定后才能進(jìn)行。以涪陵烏江大橋復(fù)線橋?yàn)楣こ瘫尘?，進(jìn)行該類拱橋懸臂狀態(tài)下索力初調(diào)及合龍前2次調(diào)索，斜拉扣掛施工中索力控制方法對(duì)同類型橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：懸臂澆筑拱橋；懸臂狀態(tài)索力；合龍前索力優(yōu)化

采用斜拉扣掛懸臂澆筑方法施工的大跨度鋼筋混凝土拱橋由于其整體性好、拱圈成橋線形易于控制、施工場地要求不高得到越來越廣泛的應(yīng)用。斜拉扣掛懸臂澆筑施工方法是利用臨時(shí)斜拉索扣住已澆筑好的拱圈節(jié)段，采用移動(dòng)掛籃從拱腳開始對(duì)稱逐段懸臂澆筑拱圈混凝土，直至拱頂合龍。斜拉扣掛法施工中的扣索索力直接影響施工過程中拱圈內(nèi)力、成橋后拱圈內(nèi)力與線形。懸臂現(xiàn)澆施工拱橋和懸臂現(xiàn)澆施工斜拉橋的內(nèi)力控制方法基本類似但又有所不同。斜拉橋的斜拉索為永久構(gòu)件，斜拉橋主梁合龍后可通過調(diào)整拉索來改善結(jié)構(gòu)受力；而懸澆拱橋拱圈合龍后要拆除臨時(shí)扣索，則其只能依靠拱圈合龍前的調(diào)索來保證其成橋后的內(nèi)力和線形，因此確定合理扣索索力至關(guān)重要。

在主拱懸臂施工階段，需要拆除部分扣索以保證拱圈應(yīng)力水平處于一個(gè)安全狀態(tài)，但需要拆除的扣索及各個(gè)扣索的索力是未知的，因此采用類似于斜拉橋的無應(yīng)力索長調(diào)索方法[1-2],即先求出成橋狀態(tài)的理想索力后再進(jìn)行正裝分析的索力控制方法是不可行的。鑒于此，斜拉扣掛懸臂澆筑施工拱橋的扣索索力須按以下2個(gè)步驟進(jìn)行控制。

1) 采用最小彎矩能法[3-4]求出最大懸臂狀態(tài)下扣索索力后將拱圈正裝至最大懸臂狀態(tài)，通過控制各施工階段主拱圈的應(yīng)力水平來初步確定懸臂施工階段需拆除的扣索及拆除的施工階段。

2) 由于最大懸臂狀態(tài)時(shí)扣索索力直接影響成橋后拱圈的應(yīng)力水平，因此拱圈懸臂施工到最大懸臂狀態(tài)后，扣索索力應(yīng)進(jìn)行2次調(diào)整以保證拱圈成橋后處于理想受力狀態(tài)[5]。2次索力調(diào)整的具體方法為：將拱圈最大懸臂狀態(tài)作為初始狀態(tài)，以拱圈彎矩作為目標(biāo)函數(shù)，1次落架的拱圈彎矩作為目標(biāo)，應(yīng)用有限元程序進(jìn)行最大懸臂狀態(tài)的2次調(diào)索。

本文以烏江大橋復(fù)線橋?yàn)槔?，?duì)其施工過程中扣索索力控制方法進(jìn)行介紹，以為同類型橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒。

1工程背景

烏江大橋復(fù)線橋主跨為220 m上承式鋼筋混凝土箱形拱橋。主橋上部結(jié)構(gòu)由主拱圈、墊梁、拱上立柱、蓋梁、簡支空心板5部分組成。拱箱為單箱雙室結(jié)構(gòu)，高4.0 m，寬9.0 m。拱箱分21個(gè)節(jié)段(含合龍段)施工，其中：兩岸各設(shè)1個(gè)拱腳搭架現(xiàn)澆段，拱頂設(shè)1個(gè)吊架澆筑合龍段，其余20個(gè)節(jié)段均為掛籃懸臂澆筑段。拱腳段(1號(hào)節(jié)段)截面頂、底板由70 cm漸變至40 cm，腹板截面由70 cm漸變至45 cm，其余節(jié)段頂板厚40 cm，底板厚40 cm，邊、中腹板厚45 cm；中間合龍段長2 m，位于21號(hào)節(jié)段。拱上結(jié)構(gòu)為簡支空心板跨徑為15.8 m，梁高80 cm。橋面橫向由9片空心板組成，每片空心板板底橫向?qū)挾葹?.24 m?？招陌宀捎妙A(yù)應(yīng)力后張法設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)型式為先簡支后橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)。烏江大橋復(fù)線橋總體布置如圖1所示。

圖1　烏江大橋復(fù)線橋總體布置示意

2最大懸臂狀態(tài)下扣索初張力及拆索順序

烏江大橋復(fù)線橋全橋共設(shè)置42對(duì)扣索和42對(duì)背索，從拱腳至拱頂扣索編號(hào)依次為1～21號(hào)。采用前述調(diào)索流程，建立了最大懸臂狀態(tài)模型，如圖2所示。

圖2　最大懸臂狀態(tài)模型

扣索初張力采用“最小彎矩能法”求出，得到的初張力如圖3所示。

按此索力對(duì)主拱進(jìn)行正裝分析，正裝階段主拱圈最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4所示。

圖3　扣索初張力

圖4　拱圈最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖4可知，拱圈最大拉應(yīng)力近10 MPa，超出規(guī)范規(guī)定的混凝土容許拉應(yīng)力[6]，從而得出以下結(jié)論：1) 采用斜拉扣掛施工的拱橋很難同時(shí)滿足施工階段不調(diào)整扣索索力且拱圈應(yīng)力水平不超過控制應(yīng)力；2) 若施工過程中多次調(diào)整扣索索力則可滿足施工階段應(yīng)力要求，但施工工序復(fù)雜，施工難度大。

綜上所述，拱圈懸臂施工階段可先不考慮拱圈正裝后拱圈內(nèi)力是否與1次成橋內(nèi)力一致，僅需滿足施工階段拱圈安全的要求即可。本文根據(jù)最大懸臂狀態(tài)模型，應(yīng)用邁達(dá)斯橋梁綜合分析軟件(MIDAS/CIVIL)中索力優(yōu)化功能確定最大懸臂狀態(tài)下的扣索索力(也可根據(jù)懸臂施工階段拱圈的應(yīng)力水平人為干預(yù)調(diào)索)，如圖5所示。

圖5　最大懸臂狀態(tài)下扣索索力

由拱圈正裝分析擬定的拆索順序?yàn)椋簭埨?號(hào)扣索后分級(jí)對(duì)稱放松2號(hào)扣索、背索→張拉至9號(hào)扣索后分級(jí)對(duì)稱放松4號(hào)扣索、背索→張拉至12號(hào)扣索后應(yīng)分級(jí)對(duì)稱放松6號(hào)扣索、背索→張拉至15號(hào)扣索后分級(jí)對(duì)稱放松8號(hào)、10號(hào)扣索、背索→張拉至17號(hào)扣索后分級(jí)對(duì)稱放松1號(hào)扣索、背索→張拉至18號(hào)扣索后應(yīng)分級(jí)對(duì)稱放松3號(hào)扣索、背索→張拉至19號(hào)扣索后應(yīng)分級(jí)對(duì)稱放松12號(hào)扣索、背索→張拉至20號(hào)扣索后分級(jí)對(duì)稱放松14號(hào)扣索、背索→張拉至21號(hào)扣索后應(yīng)分級(jí)對(duì)稱放松20號(hào)扣索、背索。

拱圈懸臂施工階段各截面最不利的應(yīng)力如圖6所示。

圖6　懸臂施工階段主拱圈應(yīng)力水平

懸臂施工階段拱圈最大拉應(yīng)力約為1.4 MPa，壓應(yīng)力最大值約為6 MPa，均未超過規(guī)范規(guī)定的容許拉、壓應(yīng)力。

按上述流程確定的扣索索力及扣索拆卸順序具有一定的隨機(jī)性，可通過專用軟件(如ANSYS中的優(yōu)化模塊[7])作進(jìn)一步優(yōu)化。

3合龍前扣索調(diào)整

由于拱橋的合理拱軸線是按1次落架加載工況擬定的[8]，因此，采用懸臂施工方法施工拱橋的裸拱理想內(nèi)力應(yīng)是1次成拱拱圈內(nèi)力。本文對(duì)不調(diào)整索力拆索完畢后拱圈內(nèi)力和1次成拱拱圈內(nèi)力進(jìn)行了對(duì)比分析，兩者內(nèi)力存在較大差別，如圖7所示。為了使懸臂施工方法施工拱橋拱圈內(nèi)力達(dá)到理想內(nèi)力，因此有必要對(duì)合龍前扣索索力進(jìn)行調(diào)整。

圖7　主拱內(nèi)力對(duì)比

將拱圈最大懸臂狀態(tài)作為初始狀態(tài)，以拱圈彎矩作為目標(biāo)函數(shù)，1次落架的拱圈彎矩作為目標(biāo)，應(yīng)用邁達(dá)斯橋梁綜合分析軟件(MIDAS/CIVIL)中的索力調(diào)整功能及索力替換功能進(jìn)行2次調(diào)索，調(diào)整后扣索索力如圖8所示，調(diào)整索力后拱圈內(nèi)力見圖7。

圖8　扣索2次調(diào)整索力

經(jīng)過2次索力優(yōu)化，懸臂施工的裸拱內(nèi)力和1次落架裸拱內(nèi)力基本一致，兩者最大彎矩相差7.4%。由于裸拱內(nèi)力占總內(nèi)力的比例畢竟有限，故其與1次落架的內(nèi)力存在一定偏差在可接受范圍內(nèi)。

4結(jié)束語

采用斜拉扣掛懸臂澆筑法施工的拱橋由于施工階段需要拆除部分扣索才能保證懸臂施工階段安全，故其與常規(guī)斜拉橋施工控制的索力控制有所不同。該類橋梁扣索的初張力應(yīng)根據(jù)不同的施工階段進(jìn)行索力調(diào)整。懸臂施工階段為保證施工階段結(jié)構(gòu)安全，以控制拱圈應(yīng)力水平為主。由于拱圈合龍前扣索索力直接影響到成橋后拱圈的內(nèi)力狀況，因此

當(dāng)拱圈施工到最大懸臂狀態(tài)后，應(yīng)對(duì)既有扣索索力再次進(jìn)行調(diào)整，以使拱圈內(nèi)力達(dá)到理想狀態(tài)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周國玲，丁少凌，顧雙春.無應(yīng)力索長控制法在斜拉橋調(diào)索中的應(yīng)用[J]．公路與汽運(yùn)，2012，42(4)：198-201．

[2]秦順全.無應(yīng)力狀態(tài)理論與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]董創(chuàng)文，廖龍輝，李傳習(xí)．猛洞河大橋斜拉扣掛方案的確定與優(yōu)化[J]．公路交通科技，2012，29(5)：62-69．

[4]黃僑，吳紅林，楊大偉.確定斜拉橋成橋索力多約束條件下最小能量法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(2)：288-291.

[5]何畏，周偉光，陳俊誠．懸臂澆筑拱橋扣索索力優(yōu)化研究[J]．橋梁建設(shè)，2015，45(3)：32-36．

[6]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]訾銀輝，田仲初，彭文平．基于ANSYS的斜拉懸臂澆筑拱橋施工中的索力優(yōu)化[J]．公路與汽車，2013(1)：171-176．

[8]李井輝.合理拱軸線確定方法探討[J]．北方公路，2013(2)：13-15．

Control of Cable Force in Cantilever Placing Reinforced Concrete Arch Bridges

WANG Fenghua

Abstract:Determination of cable force in large-span reinforced concrete arch bridges constructed with cable-stayed and buckle-hung system is usually divided into 2 steps, namely adjustment of cable force in construction period of arch rings and secondary cable tension adjustment before closure, while the secondary cable tension adjustment cannot be performed until determination of initial cable force and sequence of dismantling cables. With the double-line bridge of Fuling Wujiang River Bridge as project background, this paper presents preliminary adjustment of cable force is such bridges in the state of cantilever and the secondary cable tension adjustment before closure, and the cable force control methods in cable-stayed and buckle-hung construction provide a reference for design and calculation of similar bridges.

Keywords:cantilever placing arch bridge; cable force in the state of cantilever; optimization of cable force before closure

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.021

收稿日期：2015-12-27

作者簡介：王豐華(1971-)，男，湖北省宜城市人，碩士，高工。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0095-04中圖分類號(hào)：U448.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B