大跨度拱橋斜拉扣掛體系施工階段分析

李 哲，孫克強

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

斜拉扣掛法懸拼施工是一項較為成熟的施工方法，為了分析拱肋、扣塔、扣背索等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在施工中的受力響應(yīng)狀態(tài)，對體系進行施工階段分析計算是非常重要的。以往對斜拉扣掛結(jié)構(gòu)施工階段的計算，多是先通過整體模型計算索力，再將索力以荷載形式施加于扣塔獨立模型。該計算方法較為便捷，但忽略了拱肋、扣背索、風(fēng)纜等結(jié)構(gòu)形成的體系剛度的影響，即結(jié)構(gòu)在受荷變形后，荷載應(yīng)隨之變化而非一個常量。本文在對斜拉扣掛體系施工階段計算分析時，先對施工過程索力計算求得最優(yōu)解，在此索力基礎(chǔ)上，通過整體模型進行結(jié)構(gòu)計算，擁有較高的計算可靠度。

1 工程簡介

依托工程為國內(nèi)某主跨507 m的鋼管混凝土拱橋，拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，拱頂截面高7.0 m；拱腳截面高14.0 m，肋寬4.0 m，兩側(cè)拱肋中距25.3 m。每肋為上、下各兩根φ1 300 mm鋼管混凝土主管，單側(cè)拱肋主管間通過橫聯(lián)鋼管φ760 mm和豎向兩根腹桿φ660 mm鋼管連接，兩側(cè)拱肋采用桁架式平聯(lián)連接。

拱肋采用斜拉扣掛法施工，共分20個塊段進行吊裝，其中第1、2、4、6拱肋采用臨時扣索扣掛，待下一節(jié)段吊裝完成后，即拆除臨時扣索。拱肋前5節(jié)吊裝時，拱腳為鉸接狀態(tài)，第5節(jié)吊裝完成后，拱腳封鉸固結(jié)。拱肋合龍后拆除扣索。圖1所示為斜拉扣掛體系布置，虛線為臨時扣索。

圖1 斜拉扣掛體系示意圖

2 施工階段索力計算

2.1 計算方法[2]

采用斜拉扣掛法施工拱肋時，對扣索索力的精確計算非常重要，其精確程度直接關(guān)系到節(jié)段標(biāo)高控制和最終成拱線形，同時也影響到扣塔結(jié)構(gòu)受力分析是否可靠。

本工程施工階段索力計算采用正裝迭代法，在對結(jié)構(gòu)進行空間有限元計算的基礎(chǔ)上，運用扣索一次性張拉到位的思路對索力進行逆求解。該方法將扣索的索力作為優(yōu)化的設(shè)計變量，將拱肋標(biāo)高控制點的位移作為狀態(tài)變量，通過迭代逼近進行優(yōu)化，求出施工階段合理索力，使成拱后的拱肋線形符合設(shè)計要求，實現(xiàn)拱肋吊裝預(yù)測和施工模擬。

空鋼管合龍的線形控制目標(biāo)，即：空鋼管拱肋控制軸線=制造軸線(拱軸線+預(yù)拱度值)-空鋼管無鉸拱自重?fù)隙惹€。按照上述優(yōu)化方法進行一輪索力優(yōu)化后，雖然無法使合龍松扣后的線形與空鋼管拱肋控制軸線達到一致，但是各控制點線形差值可以很容易獲得，這個差值就是第一輪索力優(yōu)化的預(yù)抬高量{ΔZ(1)}，令

{ΔZ}={ΔZ(1)}

下一步，用該預(yù)抬高量修正計算模型，將狀態(tài)變量中受約束的扣點位移范圍重新定在ΔZ±1 mm，其他保持不變，進行第二輪正裝計算的索力優(yōu)化，同理得到第二輪索力優(yōu)化的預(yù)抬高量{ΔZ(2)}，令

{ΔZ}={ΔZ(1)}+{ΔZ(2)}

如此進行n輪的迭代優(yōu)化，直至合龍松索后，拱肋線形與空鋼管拱肋控制軸線達到一致，即

{ΔZ(n)}<{τ}(容許差)

此時停止迭代，最后一輪優(yōu)化產(chǎn)生的索力就是最終索力，同時拱肋預(yù)抬高量就是最終的總預(yù)抬高量，{ΔZ}={ΔZ(1)}+{ΔZ(2)}+…+{ΔZ(n-1)}。

2.2 模型建立

計算采用Midas Civil 2013結(jié)構(gòu)有限元軟件進行整體建模，全橋模型共6 274個節(jié)點，13 117個單元，其中索結(jié)構(gòu)為只受拉單元，其余均為梁單元。檢修通道、錨箱、拱肋扣點等結(jié)構(gòu)自重均以附加荷載的形式施加。為精確模擬索長與傾角，索結(jié)構(gòu)端點模擬在實際錨固位置，采用剛臂連接。見圖2～4。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 扣點設(shè)計錨固位置圖

圖4 扣點模擬錨固位置圖

2.3 結(jié)果分析

圖5 拱肋最大組合應(yīng)力(單位：MPa)圖

圖6 拱肋軸線偏位圖

圖7 扣塔塔頂偏位圖

經(jīng)迭代計算(圖5～7)確定最優(yōu)索力，拱肋施工階段應(yīng)力滿足強度要求，松索拱肋線形與空鋼管拱肋控制軸線偏位滿足規(guī)范JTG/T F50-2011要求。

3 扣塔受力分析

3.1 計算工況分析

扣塔結(jié)構(gòu)計算時，需考慮風(fēng)荷載作用，考慮風(fēng)速分為6級風(fēng)(纜索吊吊裝狀態(tài))和10年一遇風(fēng)(非吊裝狀態(tài))，單一風(fēng)速下風(fēng)荷載又分為順橋向、橫橋向兩個方向施加。施工階段索力為變量，若每個施工階段均考慮四種風(fēng)荷載去進行計算顯然過于繁瑣。

為了優(yōu)化計算流程，對扣塔計算工況進行分析選取。對索力作用下的扣塔響應(yīng)進行對比，選取非吊裝狀態(tài)最不利工況和吊裝狀態(tài)最不利工況，再對選定工況疊加風(fēng)荷載、纜索吊自重荷載、纜索吊吊裝荷載、塔吊附墻荷載進行計算。索力作用下，各施工階段塔底軸向應(yīng)力如圖8所示(鋼管混凝土截面由程序自動換算為等效鋼截面)。

圖8 索力作用下塔底壓應(yīng)力圖

圖8以塔底軸壓響應(yīng)為例，對分析方法進行說明。此外，還需對比分析扣塔其他關(guān)鍵位置響應(yīng)。根據(jù)分析結(jié)果，10#塊安裝完成階段與合龍段安裝完成階段為索力作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最不利狀態(tài)。由于合龍后拱肋形成順橋向剛度，對扣塔結(jié)構(gòu)有利，因此選取10#塊安裝完成階段(即最大懸臂狀態(tài))為非吊裝狀態(tài)最不利施工階段。9#塊安裝完成階段為鋼結(jié)構(gòu)及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)的次不利狀態(tài)，選取9#塊安裝完成階段為吊裝狀態(tài)最不利施工階段。

3.2 附加荷載

扣塔計算時，除考慮扣塔結(jié)構(gòu)自重、索力荷載以外，還需施加風(fēng)荷載、纜索吊及吊塔自重荷載、纜索吊吊裝荷載、塔吊附墻荷載等附加荷載。扣塔計算工況及荷載組合如表1所示。

表1 扣塔荷載組合表

為精確模擬風(fēng)速沿高度變化產(chǎn)生的影響，對扣塔、扣索、背索、拱肋分別選取基準(zhǔn)高度進行風(fēng)荷載計算(背索1-6為南側(cè)背索，背索1′-6′為北側(cè)背索)，見圖9。

圖9 基準(zhǔn)高度示意圖

3.3 結(jié)果分析

按照計算工況及荷載組合，利用有限元軟件對扣塔結(jié)構(gòu)進行計算。按照不同工況、材質(zhì)分別讀取結(jié)構(gòu)最不利響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)進行強度及穩(wěn)定計算，見表2～3、圖10～11。

表2 扣塔鋼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果統(tǒng)計

表3 扣塔鋼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果統(tǒng)計

非吊裝橫風(fēng)應(yīng)力

非吊裝順風(fēng)應(yīng)力

吊裝橫風(fēng)應(yīng)力

吊裝順風(fēng)應(yīng)力

結(jié)構(gòu)整體模型并未考慮節(jié)點鋼錨箱、塔吊附墻連接等細部結(jié)構(gòu)，對于這些位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)另外進行細部計算。

圖11 節(jié)點鋼錨箱位置應(yīng)力(單位：MPa)集中示意圖

4 結(jié)語

本文采用扣索一次張拉到位的思路，建立貼合工程實際的高精度模型，根據(jù)正裝迭代法對拱肋懸拼過程的索力進行計算，確定最優(yōu)索力。在此基礎(chǔ)上，對扣塔進行索力響應(yīng)分析、優(yōu)化計算流程并細化附加荷載，最終達到既能包絡(luò)結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)，又不致產(chǎn)生過量安全儲備的目的，兼顧了計算的可靠度與經(jīng)濟性。

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