鋼管砼拱橋主拱圈交替吊裝和分幅合龍中空間效應(yīng)分析

李海軍

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

鋼管砼拱橋主拱圈交替吊裝和分幅合龍中空間效應(yīng)分析

李海軍

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

鋼管砼拱橋主拱圈常采用交替吊裝、分幅合龍的施工方法，吊裝過(guò)程中兩幅拱肋間通過(guò)橫向米撐連接成為一個(gè)空間體系，其理論線形與受力計(jì)算具有明顯的空間效應(yīng)特征。文中采用MIDAS／Civil有限元分析程序模擬實(shí)際施工工序?qū)F州省總溪河特大橋空鋼管的成拱過(guò)程進(jìn)行空間效應(yīng)分析。結(jié)果表明，同一梁段左右幅的定位標(biāo)高和扣索張拉力不同；先合龍幅的軸線偏位應(yīng)先設(shè)置一定的預(yù)偏，以保證全部合龍后的軸線偏位正確回中；采用交替吊裝、分幅合龍的鋼管砼拱橋在空鋼管成拱過(guò)程中的線形控制必須充分重視其空間效應(yīng)，確保主拱圈合龍后的線形滿足施工控制要求。

橋梁；鋼管砼拱橋；交替吊裝；分幅合龍；空間效應(yīng)

鋼管砼拱橋是一種自架設(shè)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度分階段逐漸組合而成，體系靈活多變，能適應(yīng)不同地質(zhì)和地形條件，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。施工控制是鋼管砼拱橋建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)，而主拱圈吊裝過(guò)程中的空間效應(yīng)分析是其中的關(guān)鍵，決定著主拱圈合龍后線形和受力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

目前對(duì)鋼管砼拱橋主拱圈線形控制方法的研究主要集中在主拱圈平面線形控制上，極少考慮主拱圈的空間效應(yīng)對(duì)線形控制的影響。文獻(xiàn)［9］以銅湯（銅陵—湯口）高速公路太平湖大橋?yàn)楣こ瘫尘埃紤]到拱肋合龍時(shí)天氣較惡劣、整個(gè)拱肋大懸臂時(shí)抗風(fēng)穩(wěn)定性較差，采用單邊合龍的方法，降低了大懸臂施工風(fēng)險(xiǎn)，但也給整體結(jié)構(gòu)性能帶來(lái)一定的負(fù)面影響，主要原因是單邊合龍后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，兩幅拱肋受力和變形特性不再對(duì)稱。文獻(xiàn)［10］以南浦大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用跨中預(yù)留間隙單邊嵌入的合龍方式，即在兩岸鋼管桁架遵循上下游對(duì)稱、兩岸對(duì)稱的原則，齊頭并進(jìn)安裝完第五節(jié)段橫撐后，上游先合龍，下游再采用同樣的方式合龍。以上研究雖然都提及了主拱圈分幅合龍，但并沒(méi)有對(duì)此過(guò)程中的空間效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)闡述，而該問(wèn)題在鋼管砼拱橋施工控制過(guò)程中是不可回避的。該文以貴州省總溪河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)主拱圈交替吊裝、分幅合龍過(guò)程中的空間效應(yīng)進(jìn)行研究，為同類型橋梁施工控制計(jì)算提供參考。

1 空間效應(yīng)分析

1.1 主拱圈交替吊裝

主拱圈交替吊裝是指先吊裝某一幅的2個(gè)或更多節(jié)段再吊裝另一幅的相應(yīng)節(jié)段，然后在兩幅拱肋間安裝橫撐，如此交替進(jìn)行，直至主拱圈合龍。受主拱圈空間效應(yīng)的影響，線形控制難度加大。施工過(guò)程中，左、右兩幅同一節(jié)段因吊裝順序不同，理論線形會(huì)有所不同，原因是先吊裝的拱段扣索力使主拱圈處于偏心受力狀態(tài)，在其作用下主拱圈的標(biāo)高和軸線會(huì)偏離理論位置，另一幅相應(yīng)節(jié)段吊裝完成后主拱圈才能處于平衡狀態(tài)，標(biāo)高和軸線也回到相應(yīng)的理論位置。如圖1所示，假設(shè)主拱圈已交替吊裝至n-1節(jié)段，下一輪交替吊裝n、n+1節(jié)段，施工步驟為左幅n節(jié)段→左幅n+1節(jié)段→右幅n節(jié)段

→右幅n+1節(jié)段→橫向米撐。

圖1 主拱圈交替吊裝施工步驟示意圖

交替吊裝過(guò)程中由于空間效應(yīng)而導(dǎo)致的第一個(gè)不同之處在于主拱圈各節(jié)段定位時(shí)標(biāo)高和索力不同，標(biāo)高決定索力，索力影響標(biāo)高，二者一一對(duì)應(yīng)，拱段定位時(shí)應(yīng)以標(biāo)高控制為主、索力控制為輔。利用MIDAS／Civil建立有限元分析模型模擬上述交替吊裝過(guò)程，通過(guò)計(jì)算可得各節(jié)段定位時(shí)的索力與標(biāo)高理論值（見(jiàn)表1）。

表1 各節(jié)段定位時(shí)索力與標(biāo)高理論值

表1中 ，F(xiàn)nz＞Fny，F(xiàn)n+1z＞Fn+1y，Hnz＜Hny，H n+1z＜ Hn+1y，F(xiàn)?nz=F′ny，F(xiàn)″n+1z=Fn+1y，H?nz= H′ny，H″n+1z=Hn+1y，即同一節(jié)段因吊裝順序不同，控制索力和標(biāo)高不同。

交替吊裝過(guò)程中由空間效應(yīng)導(dǎo)致的另一個(gè)不同之處是吊裝過(guò)程中橫向偏位的控制不同，主拱圈成拱后橫向偏位是否滿足設(shè)計(jì)要求，直接決定主拱圈的受力是否滿足設(shè)計(jì)要求。左幅n節(jié)段吊裝后，其扣索力水平分力相當(dāng)于在主拱圈左幅施加水平荷載，該水平荷載相對(duì)于整個(gè)主拱圈來(lái)說(shuō)為橫向偏心荷載，主拱圈會(huì)產(chǎn)生向左的橫向偏位。吊裝左幅n+1節(jié)段時(shí)，由于左幅扣索力增大，這一橫向偏位將繼續(xù)增大。但隨著右幅n、n+1節(jié)段吊裝完成，右幅的扣索力水平分力會(huì)使整個(gè)主拱圈的水平荷載逐步回中，前一過(guò)程產(chǎn)生的橫向偏位也自動(dòng)歸零。因此，在這個(gè)過(guò)程中，主拱圈出現(xiàn)的在允許范圍之內(nèi)的橫向偏位無(wú)需調(diào)整，若強(qiáng)行將其調(diào)整至零偏位，則右幅n、n+1節(jié)段的吊裝又將導(dǎo)致主拱圈出現(xiàn)向右的橫向偏位。

1.2 主拱圈分幅合龍

鋼管砼拱橋主拱圈分幅合龍是指主拱圈處于最大懸臂之前先單幅合龍?jiān)俸淆埩硪环?。分幅合龍雖然可避免出現(xiàn)最大懸臂這一最不利狀態(tài)，但會(huì)加大合龍難度。假設(shè)主拱圈左幅先合龍，各節(jié)段在其扣索力水平分力作用下會(huì)產(chǎn)生向左的橫向偏位，分別為Δ1、Δ2、…、Δn，與交替吊裝過(guò)程不同的是，合龍右幅時(shí)橫向偏位Δ1、Δ2、…、Δn會(huì)有所減小，但不會(huì)全部為零，所以左幅合龍之前應(yīng)對(duì)各節(jié)段橫向偏位作適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，左幅合龍后再吊裝右幅時(shí)，主拱圈各節(jié)段橫向偏位的減小量分別為Δ′1、Δ′2、…、Δ′n，故左幅合龍之前各節(jié)段橫向偏位調(diào)整量分別為Δ1-Δ′1、Δ2-Δ′2、…、Δn-Δ′n?？梢酝ㄟ^(guò)風(fēng)纜進(jìn)行調(diào)節(jié)，待右幅合龍完畢后主拱圈回到理論位置。如果左幅合龍之前不對(duì)主拱圈橫向偏位進(jìn)行調(diào)整，則主拱圈全部合龍后各節(jié)段橫向偏位不可能為零。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

總溪河特大橋?yàn)楹既穑ê贾荨瘥悾└咚俟焚F州省境內(nèi)的重要控制性工程，主橋采用跨徑360 m上承式鋼管砼變截面桁架拱，橋面寬度24.5 m，汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級(jí)，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.3，矢高h(yuǎn)=69 m，矢跨比f(wàn)=1／5.217。主拱圈采用等寬度變高度空間桁架結(jié)構(gòu)，肋間設(shè)橫撐和米撐。鋼管拱肋對(duì)接接頭采用管內(nèi)法蘭盤(pán)栓接、管外焊接的形式連接。主拱圈采用無(wú)支架纜索吊裝千斤頂斜拉扣掛法施工，從拱腳至拱頂共劃分為14個(gè)節(jié)段，全橋共58個(gè)節(jié)段。其立面布置見(jiàn)圖2，橫斷面布置見(jiàn)圖3。

圖2 總溪河特大橋立面布置（單位：cm）

2.2 有限元分析

主拱圈吊裝過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)，并考慮到吊裝設(shè)備的限制，采用交替吊裝、分幅合龍的方案，采用有限元平面桿系計(jì)算程序BDCMS結(jié)合MIDAS／Civil進(jìn)行施工控制理論計(jì)算。主拱圈有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 總溪河特大橋橫斷面布置（單位：cm）

圖4 總溪河特大橋主拱圈有限元計(jì)算模型

以畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝過(guò)程為例，通過(guò)有限元分析，這4個(gè)節(jié)段吊裝時(shí)，受主拱圈空間效應(yīng)的影響，不同工況下同一節(jié)段的索力和標(biāo)高理論值各不相同（見(jiàn)表2）。

由表2可知：同一節(jié)段由于吊裝順序不同，受主拱圈空間效應(yīng)的影響，定位時(shí)的索力和標(biāo)高會(huì)有所差異。右幅11＃節(jié)段和左幅11＃節(jié)段相比，索力小18.7 k N，標(biāo)高高12 mm；右幅12＃節(jié)段與左幅12＃節(jié)段相比，索力小19 k N，標(biāo)高高11 mm。11＃、12＃節(jié)段全部吊裝完成后，主拱圈處于平衡狀態(tài)，同一節(jié)段索力和標(biāo)高相等。然后安裝橫向米撐，完成一個(gè)完整的交替吊裝過(guò)程。如此循環(huán)，完成整個(gè)主拱圈的施工。

若在上述吊裝過(guò)程中忽略主拱圈空間效應(yīng)的影響，對(duì)同一節(jié)段采用相同的索力和標(biāo)高進(jìn)行控制，各節(jié)段的索力和標(biāo)高見(jiàn)表3。

表2 考慮主拱圈空間效應(yīng)時(shí)畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝時(shí)各節(jié)段索力和標(biāo)高

表3 忽略主拱圈空間效應(yīng)時(shí)畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝時(shí)各節(jié)段索力和標(biāo)高

由表3可知：對(duì)于同一節(jié)段，如果不考慮主拱圈空間效應(yīng)的影響，采用相同的索力和標(biāo)高進(jìn)行控制，必然會(huì)導(dǎo)致吊裝完成后主拱圈兩幅標(biāo)高和索力均不對(duì)稱。右幅11＃節(jié)段與左幅11＃節(jié)段相比，索力大18.7 k N，標(biāo)高低12 mm；右幅12＃節(jié)段與左幅12＃節(jié)段相比，索力大19 k N，標(biāo)高低11 mm。這將給后續(xù)工序的施工帶來(lái)困難。

畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝過(guò)程中，由左幅11＃、12＃節(jié)段扣索力水平分力引起的主拱圈橫向偏心荷載導(dǎo)致主拱圈各節(jié)段出現(xiàn)表4所示橫向偏位。

根據(jù)以上分析，右幅11＃、12＃節(jié)段吊裝完成后，主拱圈總的扣索水平力橫向?qū)ΨQ，各節(jié)段橫向偏位為零，在左幅12＃節(jié)段吊裝后如出現(xiàn)表4所示橫向偏位，則不需要調(diào)整。若強(qiáng)行將各節(jié)段橫向偏位調(diào)整到零，則右幅11＃、12＃節(jié)段的吊裝又會(huì)使主拱圈各節(jié)段出現(xiàn)向右的橫向偏位，反而會(huì)使最終的橫向偏位不居中，帶來(lái)額外的軸線偏差。

表4 左幅12＃節(jié)段吊裝后各節(jié)段橫向偏位mm

主拱圈交替吊裝至12＃節(jié)段后，采用分幅合龍的方案進(jìn)行合龍，先吊裝右幅13＃、14＃節(jié)段并合龍，且右幅合龍之前對(duì)主拱圈各節(jié)段橫向偏位進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)橛曳淆埡笾鞴叭w系發(fā)生變化，左幅13＃、14＃節(jié)段的吊裝無(wú)法完全消除主拱圈各節(jié)段的橫向偏位。通過(guò)有限元分析，右幅合龍之前各節(jié)段的橫向偏位見(jiàn)表5，左幅14＃節(jié)段吊裝后各節(jié)段的橫向偏位改變量見(jiàn)表6，由此可計(jì)算出右幅合龍之前主拱圈各節(jié)段的橫向偏位調(diào)整量（見(jiàn)表7）。各節(jié)段橫向偏位可通過(guò)風(fēng)纜進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表5 右幅合龍前各節(jié)段橫向偏位mm

表6 左幅14＃節(jié)段吊裝后各節(jié)段橫向偏位改變量mm

表7 右幅合龍前各節(jié)段橫向偏位調(diào)整量mm

綜上所述，總溪河特大橋分幅合龍過(guò)程中，右幅合龍前主拱圈各節(jié)段橫向偏位應(yīng)按表5所示理論值進(jìn)行控制，然后在風(fēng)纜調(diào)節(jié)時(shí)按表7所示進(jìn)行調(diào)整，最終左幅合龍后主拱圈的軸線才能順利居中。

3 結(jié)論

（1）鋼管砼拱橋主拱圈在采用交替吊裝施工方法時(shí)會(huì)呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)特征，左、右幅同一節(jié)段在安裝定位時(shí)的標(biāo)高和索力理論值不同，在進(jìn)行線形控制時(shí)需充分考慮主拱圈空間效應(yīng)的影響，對(duì)左、右幅相同節(jié)段采用不同的理論值進(jìn)行精確定位。

（2）主拱圈交替吊裝過(guò)程中，單幅先吊裝節(jié)段的扣索力會(huì)產(chǎn)生橫向偏心水平荷載，使主拱圈產(chǎn)生軸線偏差，對(duì)于該軸線偏差不需進(jìn)行額外調(diào)整，在另一幅相應(yīng)節(jié)段吊裝并索力張拉到位后軸線偏差會(huì)自動(dòng)歸零。

（3）主拱圈交替吊裝和分幅合龍時(shí)，由于單幅合龍后主拱圈體系改變，單幅合龍前的橫向偏位不能像懸臂拼裝時(shí)一樣不作調(diào)整，而需準(zhǔn)確計(jì)算出另一幅的吊裝對(duì)先吊裝一幅所帶來(lái)的軸線變化，然后確定單幅合龍前各節(jié)段橫向偏位的調(diào)整量，并采用風(fēng)纜進(jìn)行調(diào)整，這樣才能使最終合龍后的主拱圈橫向偏差歸零。

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