拱腳封鉸時(shí)機(jī)對纜索吊裝施工拱橋的受力影響分析

牟 開

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

纜索吊裝系統(tǒng)具有跨越能力大、水平和垂直運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于大跨度拱橋無支架施工[2]中。隨著我國高速公路的迅速發(fā)展，許多跨江跨河跨峽谷的拱橋都在向大跨度、超大跨度挑戰(zhàn)，出現(xiàn)了滿足施工需要的矢跨比較高、吊裝節(jié)段多、吊裝重量大的大型纜索裝結(jié)構(gòu)體系。大跨徑拱橋采用纜索吊裝施工成敗的關(guān)鍵在于對拱腳鉸軸的處理，即拱腳封鉸時(shí)機(jī)的選擇；拱腳封鉸是拱橋纜索吊裝施工過程中重要的體系轉(zhuǎn)換過程，直接關(guān)系到施工過程及成橋后結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力[3]，因此對拱腳封鉸時(shí)機(jī)進(jìn)行研究具有重要意義。

1 工程概況

依托工程主橋采用中承式有推力鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)，橋跨布置：2×16 m預(yù)制空心板+跨徑258 m鋼管混凝土拱+2×16 m預(yù)制空心板；主橋拱肋與橋道系相交部位橋梁全寬：2.75 m（拱肋）+0.075 m+0.5 m（護(hù)欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）+0.075 m+2.75 m（拱肋），為方便檢修，在吊桿范圍內(nèi)橋道系兩側(cè)各增設(shè)1 m寬檢修通道。引橋部分，單幅橋面橫向布置為：0.5 m（護(hù)欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）=17 m。主橋拱圈采用雙片式拱肋，拱上通過拱上立柱和吊桿連接橋面系，行車道板采用縱向“T”梁，橫梁采用預(yù)制大型預(yù)應(yīng)力混凝土梁，縱橫交錯(cuò)形成全橋連續(xù)的正交梁格體系。

圖1 橋型布置圖

主橋計(jì)算跨徑242 m，計(jì)算矢高比1/4，拱軸線為m=1.5的懸鏈線。拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，上、下弦桿斷面為平放的啞鈴型，拱肋總高為5.36 m，總寬為2.76 m。圓管外徑為960 mm，除拱腳埋設(shè)段及第2、第3吊裝段壁厚為18 mm外，其余拱肋壁厚為16 mm。水平兩鋼管間凈距2.0 m，圓管之間設(shè)平聯(lián)板連成一體，平聯(lián)板為厚度14 mm。圖1為該橋橋型布置圖。

拱座混凝土靠近拱腳面二次澆筑部分為C40混凝土，其余為C30混凝土。單個(gè)拱座需預(yù)埋16根長為1.8 mφ299×10 m的鋼管及拱腳鉸鋼筋加強(qiáng)網(wǎng)片等。鋼管的預(yù)埋位置要求準(zhǔn)確，鋼管預(yù)埋位置的準(zhǔn)確性是拱肋能否合攏的必要條件。封鉸塊四周腳手架采用門式支架，內(nèi)部操作平臺(tái)及模板定位架采用型鋼。鋼筋分兩次安裝，每次7 m。模板采用大塊組合鋼模加定型鋼模。

2 施工階段描述

2.1 拱肋吊裝節(jié)段劃分

鋼管混凝土拱橋采用纜索吊裝施工時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場起吊條件及起吊纜索機(jī)械的實(shí)際情況，主拱肋需劃分為多個(gè)吊裝節(jié)段，化整為零進(jìn)行吊裝；具體分段根據(jù)纜索吊的最大吊裝噸位和施工工期等多方面進(jìn)行考慮，依托工程鋼管混凝土拱橋主拱肋共劃分為6大吊裝節(jié)段（半拱肋），具體吊裝單元?jiǎng)澐忠妶D2，表1為各吊裝段的詳細(xì)參數(shù)。

圖2 拱肋吊裝單元?jiǎng)澐?/p>

表1 拱肋吊裝單元詳細(xì)參數(shù)表

2.2 施工階段

依托工程拱肋施工主要施工步驟如表2所示。

表2 拱肋施工主要步驟

鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工多跨越溝谷、江河，施工場地一般受到限制，為了對拱肋吊裝段仰角進(jìn)行調(diào)整定位，通過簡易牽引裝置逐步調(diào)整第1段拱腳端鉸軸位置，使其與預(yù)埋的拱座鉸鉸接上，調(diào)整好仰角后張拉扣索定位，第1段拱肋吊裝段定位完成后，后續(xù)施工過程中封鉸時(shí)間不同，主拱肋的線形、拱腳鋼管應(yīng)力等均有較大差異，依托工程擬定了5種不同的封鉸方案，描述如下：

a）方案一 步驟CS1吊裝第1段拱肋封鉸。

b）方案二 步驟CS6吊裝第4段拱肋前澆筑拱腳封鉸混凝土。

c）方案三 步驟CS12主拱肋合攏后，扣索釋放前封鉸。

d）方案四 步驟CS13主拱肋扣索釋放后，灌注混凝土之前封鉸。

e）方案五 步驟CS15主拱肋灌注混凝土后封鉸。

3 封鉸方案分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/CIVIL（V8.2.1）結(jié)構(gòu)分析程序?qū)袄呃|索吊裝施工階段狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立該橋空間計(jì)算模型[4]，其中鋼管采用梁單元模擬，扣索采用桁架單元模擬，鋼管及平聯(lián)混凝土灌注通過施工階段聯(lián)合截面實(shí)現(xiàn)。全橋共5 750個(gè)節(jié)點(diǎn)，共分6 282個(gè)單元，計(jì)算模型如圖3。

圖3 拱肋吊裝分析模型

3.2 拱肋變形分析

鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工過程中，通過張拉扣索，改變扣索的松緊程度來調(diào)整拱肋的安裝線形[5]，但拱肋線形的調(diào)整及控制均是以拱肋前端點(diǎn)作為控制點(diǎn)，如圖4所示，施工過程中根據(jù)吊裝段前端點(diǎn)i處安裝棱鏡，對拱肋標(biāo)高進(jìn)行跟蹤測量，且拱肋吊裝過程中，隨著拱肋節(jié)段不斷增加，拱肋線形會(huì)發(fā)生變化，即前端點(diǎn)i標(biāo)高發(fā)生變化；施工過程中拱腳封鉸時(shí)間不一樣，后續(xù)施工節(jié)段對已施工拱肋的影響程度也會(huì)有差異，因此拱腳在施工過程中何時(shí)灌注混凝土封鉸對吊裝過程中拱肋線形控制有較大影響，圖5～圖10給出了前述5種封鉸方案下第i吊裝段拱肋前段點(diǎn)前端點(diǎn)i的累計(jì)變形。

圖4 拱肋吊裝分析模型

圖5 吊裝段1前端點(diǎn)變形

圖6 吊裝段2前端點(diǎn)變形

圖7 吊裝段3前端點(diǎn)變形

圖8 吊裝段4前端點(diǎn)變形

圖9 吊裝段5前端點(diǎn)變形

圖10 吊裝段6前端點(diǎn)變形

圖5～圖10為拱肋施工過程中（從吊裝第1段主拱肋到鋼管混凝土灌注完畢全過程），各吊裝段前端點(diǎn)累計(jì)變形。由圖可知，5種封鉸方案下各吊裝段均發(fā)生持續(xù)向下的豎向變形，其中吊裝段1、吊裝段2、吊裝段3的規(guī)律較類似，即方案一下產(chǎn)生的豎向變形最小，方案五下產(chǎn)生的豎向變形最大；吊裝段4、吊裝段5、吊裝段6的變形規(guī)律較類似，即方案四產(chǎn)生的豎向變形最大。對5種封鉸方案進(jìn)行綜合比較，按方案三封鉸時(shí)，各吊裝段豎向變形均處于較小狀態(tài)，為理想方案。

3.3 拱腳應(yīng)力分析

鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程中，隨著拱肋節(jié)段不斷增加，拱肋拱腳附近鋼管的應(yīng)力會(huì)不斷，施工過程中拱腳封鉸時(shí)間不一樣，后續(xù)施工節(jié)段對已施工拱肋的影響程度也會(huì)有差異，因此拱腳在施工過程中何時(shí)封鉸對吊裝過程中拱腳附近鋼管的應(yīng)力有較大影響，表3和表4給出了前述5種封鉸方案下拱腳附近上弦桿和下弦桿（如圖11所示）的應(yīng)力變化值。圖12和圖13給出了拱腳上弦桿和拱腳下弦桿隨著施工階段的應(yīng)力變化曲線。

圖11 拱肋吊裝分析模型

表3 拱肋吊裝分析模型（上弦桿）

表4 拱肋吊裝分析模型（下弦桿）

圖12 拱腳上弦桿應(yīng)力

圖13 拱腳下弦桿應(yīng)力

由表3可知，5種封鉸方案下拱腳附近上弦桿最大應(yīng)力分別為 64.1 MPa、69.1 MPa、58.1 MPa 、34.5 MPa、94.2 MPa；由表 4 可知，5 種封鉸方案下拱腳附近下弦桿最大應(yīng)力分別為109 MPa、102 MPa、111 MPa、133 MPa、85.1 MPa；由圖 12 和圖 13 可知，5種封鉸方案下拱腳附近上、下弦桿應(yīng)力變化規(guī)律相反，即方案五上弦桿應(yīng)力最大，而下弦桿應(yīng)力最小，方案四上弦桿應(yīng)力最小，而下弦桿應(yīng)力最大，因此綜合考慮上、下弦桿的應(yīng)力情況，方案三是較理想的封鉸方案。

4 結(jié)語

本文以某鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ桃劳?，對纜索吊裝施工過程中，拱腳的封鉸方案進(jìn)行了介紹，同時(shí)借助空間有限元模型對拱肋架設(shè)過程進(jìn)行了模擬分析，對施工過程中采用5種不同封鉸方案時(shí)，拱肋各吊裝段控制點(diǎn)的施工累計(jì)變形進(jìn)行了比較，同時(shí)對施工過程中拱腳附近截面上、下弦桿的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，最后從控制拱肋前端點(diǎn)變形及拱腳應(yīng)力的角度對5種封鉸方案進(jìn)行綜合考慮，最后確定方案三作為理想的封鉸方案，本文的研究方法可供類似橋梁施工控制積累工程經(jīng)驗(yàn)和提供依據(jù)。