某鋼筋混凝土拱橋勁性骨架纜索吊裝施工過程仿真優(yōu)化

陳曉麗， 田銳敏， 馮怡文, 方春平

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著我國橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼管混凝土勁性骨架拱橋在設(shè)計及施工技術(shù)方面取得了突破性進展。近年來，我國相繼誕生了世界最大跨徑的公路上承式勁性骨架拱橋——萬縣長江大橋和鐵路上承式勁性骨架拱橋——滬昆客專北盤江大橋。勁性骨架鋼筋混凝土拱橋鋼結(jié)構(gòu)骨架多采用鋼絞線斜拉扣掛法分節(jié)段吊裝施工，而勁性骨架拱肋合龍后將作為后續(xù)管內(nèi)混凝土灌注及外包混凝土澆筑的初始狀態(tài)，因此，有必要研究不同吊裝方案對勁性骨架受力及變形的影響。本文擬通過對比兩種臨時扣索索力釋放順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力及變形影響規(guī)律，從而選擇最合理的吊裝方案供后續(xù)同類橋型建設(shè)參考。

1 工程概況

本文是以在建四川省境內(nèi)某上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋為工程背景展開研究。主要工程為金沙江特大橋，全長385.2 m，主橋橋面采用3 %的單向縱坡。全橋跨徑組合為3×21.2 m(預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁)+275.6(13×21.2) m(鋼筋混凝土拱橋)+35 m(現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁)，主孔凈跨為260 m。主拱采取等截面懸鏈線無鉸拱，主橋總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

勁性骨架為型鋼和鋼管組成的桁架結(jié)構(gòu)，上、下各三根φ508×16(24) mm的鋼管弦桿，各弦桿之間通過橫聯(lián)角鋼和豎向角鋼連接而構(gòu)成型鋼-鋼管桁架，在拱肋橫聯(lián)對應(yīng)位置設(shè)交叉撐，加強橫向連接，腹桿及平聯(lián)與弦桿均采用焊縫連接，具體布置見圖2～圖4。全橋勁性骨架兩岸各6個扣段+1個拱腳預(yù)埋段+1個拱頂合龍段，每個扣段又分為兩個標(biāo)準(zhǔn)段，全橋一共24個標(biāo)準(zhǔn)段，吊裝過程兩岸各設(shè)置6對臨時扣索與正式扣索，由于橋位處風(fēng)力較大，故每個扣段設(shè)置1對纜風(fēng)索，經(jīng)過風(fēng)洞實驗確定每根抗風(fēng)索索力取80 kN。

(a)無橫撐橫截面

(b)橫撐斷面橫截面圖2 勁性骨架橫斷面布置

圖3 勁性骨架立面布置

圖4 勁性骨架平面布置

2 纜索吊裝及施工過程仿真

2.1 吊裝施工方案

勁性骨架吊裝順序為每節(jié)段兩岸對稱進行，即四川岸拱腳預(yù)埋段→云南岸預(yù)埋段→四川岸1-1節(jié)段→云南岸1-1節(jié)段依次安裝至合龍段。每一扣段的吊裝節(jié)段就位后，應(yīng)調(diào)整扣索力，使拱肋軸線與標(biāo)高位于設(shè)計安裝線型，當(dāng)誤差滿足設(shè)計要求后，方可焊接弦桿接頭。合龍安裝的前幾天應(yīng)進行全天天氣觀察，氣溫測量，掌握氣溫變化規(guī)律，確定最佳合龍時刻，測量兩岸6-2節(jié)段前端各個角點坐標(biāo)，以便對合龍段進行長度修正，現(xiàn)場放樣切割，做好坡口，根據(jù)拱肋線型進行合龍段配切施工。在每個扣段安裝完成后，在第二標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置1對抗風(fēng)索，用于確保吊裝過程骨架橫橋向穩(wěn)定性。

2.2 仿真計算模型

本文纜索吊裝施工過程利用大型橋梁專業(yè)有限元軟件MIDAS CIVIL建立圖5所示的計算模型，利用空間梁單元模擬勁性骨架的6根弦管、腹桿連接系等。對于索的模擬有索單元和等效桁架單元兩種方法，索單元用于大位移效應(yīng)分析。本文只進行扣背索索力計算，故采用等效桁架單元模擬扣背索和抗風(fēng)索，索力用預(yù)應(yīng)力荷載中的初拉力代替，吊裝模型中采用一般支撐類型約束拱腳對應(yīng)節(jié)點的全部自由度。計算不考慮索塔、交界墩和扣背索、抗風(fēng)索錨錠位移，也采用同樣約束處理，索塔與交界墩頂錨箱按剛接處理。

圖5 四川岸勁性骨架吊裝計算模型

3 兩種吊裝方案對比

由于每個扣段安裝完成需要及時釋放臨時扣索索力，在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，不同釋放順序會對勁性骨架受力與線型產(chǎn)生顯著影響，有些情況下會直接導(dǎo)致骨架合龍后線型不符合設(shè)計要求，下文將按照表1所列的兩種施工方案模擬實際吊裝過程。

3.1 扣索索力對比

由于吊裝施工階段仿真計算以設(shè)計線型為基準(zhǔn)建立模型，因此吊裝過程中只需控制勁性骨架各扣點標(biāo)高達到設(shè)計標(biāo)高，誤差控制在1 cm以內(nèi)，通過Midas Civil中的索力優(yōu)化功能確定兩種吊裝方案扣索索力張拉值見表2、表3。

通過表2和表3兩者扣索索力值發(fā)現(xiàn)：兩種吊裝方案張都是通過張拉扣索使勁性骨架吊裝節(jié)段扣點標(biāo)高位于設(shè)計標(biāo)高一定誤差范圍內(nèi)，但是方案1與方案2索力結(jié)果卻截然不同，相差較大，總體規(guī)律是吊裝方案1索力值明顯大于吊裝方案2，而且由于從1#～6#扣索傾角逐漸減小，索力豎向分量減小，導(dǎo)致索力差值依次逐漸增大，6#扣索索力相差約20 %。

表1 纜索吊裝施工階段劃分

表2 吊裝方案1四川岸扣索索力值

表3 吊裝方案2四川岸扣索索力值

3.2 勁性骨架應(yīng)力對比

兩種施工方案勁性骨架鋼管應(yīng)力對比見圖6～圖9。

根據(jù)圖6～圖9兩種施工方案勁性骨架鋼管表面應(yīng)力隨施工階段變化歷程曲線可知：兩種方案上下弦管應(yīng)力變化趨勢相反，吊裝方案一拱腳、L/8、2L/8及3L/8截面上下弦管整個吊裝過程中都為壓應(yīng)力，且應(yīng)力數(shù)值隨施工階段增加，上弦管應(yīng)力變化較小，且拱腳局部階段出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力；吊裝方案二上弦基本一直處于受拉狀態(tài)，而下弦管處于受壓狀態(tài)，這一變化趨勢在拱腳截面尤為突出，吊裝開始便出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。

(a)吊裝方案一弦管應(yīng)力

(b)吊裝方案二弦管應(yīng)力圖6 拱腳截面鋼管應(yīng)力對比(單位：MPa)

(a)吊裝方案一弦管應(yīng)力

(b)吊裝方案二弦管應(yīng)力圖7 拱肋L/8截面鋼管應(yīng)力對比(單位：MPa)

(a)吊裝方案一弦管應(yīng)力

(b)吊裝方案二弦管應(yīng)力圖8 拱肋L/4截面鋼管應(yīng)力對比(單位：MPa)

(a)吊裝方案一弦管應(yīng)力

(b)吊裝方案二弦管應(yīng)力圖9 拱肋3L/8截面鋼管應(yīng)力對比(單位：MPa)

3.3 成拱線型對比

圖10給出了兩種施工方案勁性骨架纜索吊裝合龍松扣后拱肋在縱橋向豎向變形規(guī)律。由圖可知，吊裝方案一成拱豎向標(biāo)高基本位于設(shè)計標(biāo)高周圍，在拱肋約L/4處大約上拱3.6 cm，拱頂位置下?lián)?.2 cm；而吊裝方案2骨架高程全部低于設(shè)計標(biāo)高，并且自拱腳向拱頂依次增大，在拱頂位置下?lián)霞s12 cm。由此可見方案2骨架成拱線型與設(shè)計相差較大，已經(jīng)不能滿足JTG/TD 65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》中鋼結(jié)構(gòu)拱肋節(jié)段安裝標(biāo)高誤差，由此會造成后期拱肋合理拱軸線發(fā)生變化。

圖10 勁性骨架合龍松扣豎向變形(單位：mm)

4 結(jié)論

本文通過對四川省某在建鋼筋混凝土拱橋勁性骨架兩種纜索吊裝方案對比，在骨架節(jié)段定位同樣達到設(shè)計標(biāo)高時，由于臨時扣索索力釋放順序不同導(dǎo)致勁性骨架成拱后線型與應(yīng)力差異較大，方案二張拉正式扣索后再釋放臨時扣索索力，造成正式扣索索力張拉值偏小，臨時索力釋放后骨架必然下沉。因此，成拱線型低于設(shè)計標(biāo)高，骨架上弦管始終出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，實際施工建議采用吊裝方案一，可以確保成橋拱肋線型與受力在設(shè)計誤差范圍內(nèi)。