大跨徑鋼管混凝土拱橋扣索索力計算方法綜述

張　健，康勝清，邸慶輝

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

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大跨徑鋼管混凝土拱橋扣索索力計算方法綜述

張健，康勝清，邸慶輝

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

無支架纜索吊裝與千斤頂斜拉扣掛相結(jié)合的施工方法已經(jīng)成為大跨徑鋼管混凝土拱橋施工最常用的方法，其中扣索索力的確定已經(jīng)成為施工中必不可少的一項重要控制參數(shù)。文章系統(tǒng)地綜述了近年來扣索索力計算方法的研究現(xiàn)狀，并進行了詳細的闡述，總結(jié)了各個方法的優(yōu)缺點，并根據(jù)鋼管混凝土拱橋的施工特點，對鋼管混凝土拱橋的施工方法作了進一步展望。

無支架；纜索吊裝；千斤頂斜拉扣掛；大跨徑；鋼管混凝土拱橋；扣索索力

自從無支架纜索吊裝千斤頂斜拉扣掛法在廣西邕寧邕江大橋施工中得到成功運用后[1]，該法已經(jīng)成為目前大跨徑鋼管混凝土拱橋最常用的施工方法。在實現(xiàn)更加容易控制線形的同時，如何確定扣索的索力又成為了橋梁工作者亟待解決的問題?？鬯魉髁Φ拇笮≈苯雨P(guān)系到拱肋節(jié)段標高以及所需扣索數(shù)目的確定，扣索索力的確定已經(jīng)成為大跨度鋼管混凝土拱橋中一項重要的控制參數(shù)。

目前方法主要有力矩平衡法[2]，周水興等人提出的零彎矩法[3-4]，沈成武[5]等人提出零位移法，何雄君[6]、方建[7]、張治成[8]等人提出的索力優(yōu)化分析法，蔡凈[9]提出的定長扣索法，田仲初[14]提出的彈性-剛性支承法，陳得良、繆莉[15]提出改講的彈性一剛性支承法。

1　力矩平衡法

力矩平衡法[1]是指在該鋼管混凝土拱橋施工過程中，假設(shè)每段鋼骨架剛度相對于扣索剛度為極大值，各段鋼骨架之間的聯(lián)接考慮為鉸接，各段鋼骨架結(jié)構(gòu)重量力為自重加上施工荷載。吊裝拱頂時，作用在最大懸臂段端頭的作用力考慮為25 %～50 %的重量。

力矩平衡法的優(yōu)點是可以通過手算求解，各個工況下的扣索索力值可以有節(jié)點力平衡的原理推導(dǎo)出通用計算公式，不受架設(shè)節(jié)段的限制，計算方法簡單明了，但是也存在明顯的缺點：

(1)計算假設(shè)吊裝的拱肋是直桿，但是現(xiàn)實中的拱肋是曲桿，同時需要計算拱肋的重心。

(2)計算只適用于各節(jié)段臨時鉸接的情況，不能用于節(jié)段接頭固結(jié)的情況。

(3)計算假定拱腳為鉸接，對于拱腳固結(jié)的情況無法適用。

(4)需要頻繁調(diào)整索力，使拱肋線形符合設(shè)計線形不利于施工的簡化。

力矩平衡法和實際施工存在一定的差異：邕寧邕江大橋采用的合龍方式為先松部分扣點然后合龍，而現(xiàn)在通常是合龍之后再松扣索，合龍后整拱承受合龍段的重量而不是最大懸臂端頭承受合龍段部分重量。

2　零位移法

零位移法是指在索力計算過程中以考慮預(yù)拱度后的設(shè)計拱軸線作為調(diào)索的標準線形，將扣索扣點直接簡化成支座，約束扣點位移[10]，即各扣點位移考慮為0，支座反力為0?？鬯魉髁蚩鬯魉髁Φ脑隽考礊楦骺埸cX與Y方向反力的合成。在整個施工過程中各扣點受約束位移始終保持為0，所以稱為“零位移法”。零位移法計算示意圖見圖1、圖2。

圖1　零位移法計算扣索索力有限元模型

圖2　扣索索力合成模式

零位移法計算原理簡單明了，力學(xué)概念清晰，每節(jié)段不需要設(shè)置預(yù)抬高值，可以適用于節(jié)段之間的各種聯(lián)接方式。但是每吊裝一個節(jié)段，都需要對每根扣索索力以及控制標高進行調(diào)整，在實際的工程應(yīng)用中十分繁瑣，對施工過程的簡化不利。

3　零彎矩法[3-4]、[11]

零彎矩法是在力矩平衡法的基礎(chǔ)上由周水興教授提出，零彎矩法的成立條件為：

(1)無論各節(jié)段之間是臨時鉸接還是固結(jié)(焊接)都要保證拱肋各階段接頭處的彎矩為零，即節(jié)段接頭零彎矩。

(2)保證拱腳處不產(chǎn)生附加彎矩，確保吊裝合龍時拱腳不會產(chǎn)生彎矩應(yīng)力，即拱腳零彎矩。

在拱肋吊裝施工過程中，通過張拉扣索，不斷地調(diào)整扣索索力，確保各節(jié)段接頭處彎矩為0，使其滿足零彎矩法成立的條件。從而可以解決吊裝過程中拱腳為固結(jié)的情況下扣索索力計算的問題。

具體計算公式推導(dǎo)可參考文獻[17]。零彎矩法克服了力矩平衡法的不足之處，通過積分的方式計算力矩，不需要計算節(jié)段的重心，無論節(jié)段式臨時鉸接還是固結(jié)均可計算，扣索索力的計算在任意施工階段均可進行。雖然零彎矩法計算出的扣索索力比較精確，但是需要在施工過程中不斷地調(diào)整索力，對于吊裝節(jié)段較多的工況，需要進行繁瑣的調(diào)索工作。在應(yīng)用“零彎矩法”計算扣索索力時也存在一定的問題[12],主要是一些實際工程中斜拉扣掛系統(tǒng)的扣塔位置、塔高和拱肋上扣點的位置等決定了應(yīng)用“零彎矩法”計算出的扣索索力出現(xiàn)負值和不均衡(即各根扣索索力相差較大)的情況。因此,“零彎矩法”有一定的適用范圍。對一些特定的實際工程,用“零彎矩法”計算扣索索力是行不通的,要采取一定的措施或應(yīng)用其他索力計算方法計算扣索索力。

4　定長扣索法[13]

定長扣索法是指根據(jù)倒裝分析法確定每一根扣索的放樣長度，依靠扣索自身的彈性伸長使拱肋達到設(shè)計軸線位置。定長扣索法在浙江省三門市健跳大橋[4]的主拱肋吊裝施工中得到成功應(yīng)用。其突出優(yōu)點是扣索索力比較均勻，扣索只需要一次張拉即可，所以稱為定長扣索法。

在拱肋節(jié)段吊裝施工中，節(jié)段標高要高于設(shè)計軸線，待拱肋各節(jié)段達到設(shè)計軸線后焊死固結(jié)，扣索剛度相對于鋼管截面剛度來講很小，所以視拱肋節(jié)段為剛體，即在拱肋吊裝施工中認為拱肋節(jié)段只有剛體位移，忽略拱肋節(jié)段本身的彈性變形。拱肋節(jié)段剛體的位移由扣索的彈性變形、索塔的位移、拱肋節(jié)段在主索、扣索、纜風(fēng)索等索力作用下的變形組成。定長扣索法的基本思想是：已知上一節(jié)段的標高，通過幾何關(guān)系可以唯一確定下一節(jié)段標高。從而可以根據(jù)平面桿系程序或空間桿系程序進行仿真計算，計算各扣索索力以及節(jié)段的預(yù)抬高值。具體計算公式推導(dǎo)可參考文獻[18]。

5　優(yōu)化分析法

優(yōu)化分析法是指在計算扣索索力過程中，在考慮拱肋線形和內(nèi)力的同時，將最優(yōu)化分析理論引入拱肋計算索力過程中，從而求解最優(yōu)索力。

優(yōu)化分析計算中，評價標準稱為目標函數(shù)，以變量形式參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的稱為設(shè)計變量，設(shè)計中應(yīng)遵守的幾何、強度及剛度等條件稱為約束條件。扣索索力優(yōu)化法的基礎(chǔ)是零位移法，忽略扣索對拱肋節(jié)點的約束作用，用索單元模擬扣索參與整體結(jié)構(gòu)的分析，經(jīng)過非線性迭代計算，根據(jù)最優(yōu)函數(shù)計算出一組最優(yōu)索力值，將計算結(jié)果進行正裝和倒裝計算，判定其能否滿足拱肋骨架的正裝和倒裝要求。當(dāng)計算結(jié)果能夠同時滿足施工過程中的安全、穩(wěn)定、強度要求后，根據(jù)計算結(jié)果給出一組標高、索力控制數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工。

張克波、王國俊根據(jù)影響矩陣的概念[16]，確定張拉變量子序列{x1,x2,x3..........xn}，并據(jù)此建立影響矩陣，并將最優(yōu)化的計算理論引入到拱肋懸拼中的扣索索力計算中。在對結(jié)構(gòu)進行空間有限元分析的基礎(chǔ)上，以拱肋各標高控制點高程偏差的平方和最小為優(yōu)化目標，以扣索索力作為設(shè)計變量，通過約束扣索的最大索力值、單個控制點的標高偏差及內(nèi)力控制截面的最大Mises應(yīng)力值，迭代優(yōu)化出最佳索力[17]。

6　彈性一剛性支承法

田仲初[14]提出連續(xù)體彈性-剛性支承法,能同時計算扣索索力與確定拱圈的預(yù)抬高值。連續(xù)體彈性-剛性支承法的主要思想是將當(dāng)前吊裝施工節(jié)段的扣索用剛性支承來模擬，將已吊裝節(jié)段的扣索用彈性支承來模擬，相鄰節(jié)段之間的聯(lián)接作為彈性體來考慮，該方法能夠同時求得扣索索力和標高預(yù)抬量。

陳得良、繆莉[15]在田仲初提出的彈性-剛性支承法基礎(chǔ)上提出改進的彈性-剛性支承法，具體思想是將當(dāng)前施工節(jié)段的扣索模擬為剛性支承，己吊裝階段的扣索模擬彈性拉索，相鄰節(jié)段之間的聯(lián)接作為轉(zhuǎn)動彈簧來考慮，轉(zhuǎn)動剛度為0

圖3　第Ⅰ節(jié)段安裝示意

圖4　第Ⅱ節(jié)段安裝示意

圖5　第Ⅲ節(jié)段安裝示意

圖6　合龍段安裝示意

7　展望

上面所述方法均有各自的局限性，也有各自的優(yōu)點，可以看出，單一的扣索索力計算方法還不足以使控制結(jié)果達到滿意的程度。可以根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點，有針對性地選擇幾種計算方法，建立能將各方法的計算結(jié)果融合起來的計算模塊，再集成于仿真測試系統(tǒng)中。這也使計算結(jié)果更貼近實際的一條重要途徑。同時也可以將永久模板應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的外包工況中。

[1]鄭皆連, 徐風(fēng)云, 唐柏石, 等. 廣西邕寧邕江大橋千斤頂斜拉扣掛懸拼架設(shè)鋼骨拱桁架施工仿真計算方法[C]//中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會1996 年橋梁學(xué)術(shù)論文集. 北京: 人民交通出版社, 1996.

[2]范立礎(chǔ). 橋梁工程(下冊)[M]. 北京: 人民交通出版社,1985.

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[18]柳江濤. 纜索吊裝鋼管混凝土拱橋拱肋的線性問題研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

張健(1990～)， 男，碩士，研究方向為橋梁與隧道工程。

U445.464

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[定稿日期]2016-04-29