鋼箱拱吊裝扣索張拉過程拱肋線型研究

關敬文

摘要：主拱圈的線形控制質量直接影響著成橋后全橋的受力，又因其吊裝施工過程是全橋建設當中最為關鍵和復雜的工序，而扣索張拉過程又是調節(jié)主拱圈線型的重要施工步驟。因此，研究吊裝施工過程中扣索張拉環(huán)節(jié)有著重要意義。針對該施工過程，文章提出主拱圈關鍵節(jié)點扣索張拉過程縱橋向與豎橋向位移變化的理論表達式，通過Midas軟件建立羅文大橋的全橋有限元模型進行計算分析，提取計算結果與理論結果作對比。結果表明：理論計算結果與有限元模擬計算結果吻合度較高;羅文大橋主拱圈拱段張拉方案安全、可靠，在整個過程中各控制點縱向、豎向最大位移分別達到-14.6mm和32.6mm，有較大安全富余;后續(xù)拱肋節(jié)段的安裝精度受之前安裝的影響，并在施工過程中主拱圈線形變化遵循疊加效應。

關鍵詞：鋼箱拱橋;疊加效應;有限元模擬;纜索吊裝;線形控制

中圖分類號：U448.223 文獻標識碼：A DOI：1O.13282/j.cnki.wccst.2019.07.022

文章編號：1673-4874（2019）07-0068-04

0引言

鋼箱拱橋具有剛度較大、延性較高以及穩(wěn)定性較好等諸多優(yōu)勢，因而在我國有著較大的發(fā)展空間及潛力。尤其是近年來纜索吊裝施工方法的普及，使得該類橋型有了更進一步的應用空間。其主要受力的拱肋構件更是學者們所研究的重點對象，因此，國內學者圍繞其施工過程展開了一系列研究：狄生奎以某黃河大橋作為例子，提出吊裝過程中每節(jié)拱段預抬量的理論計算公式。駱中林則以瀏陽河大橋作為工程依托，重點探討了拱肋溫度與垂度效應的影響，并與實測數(shù)據(jù)對比得出相關結論。宋暉則以菜園壩長江大橋作為工程背景，研究該橋主拱圈拱節(jié)段運輸?shù)跹b的可行性，為后續(xù)同類橋的施工提供參考借鑒。

以上學者及研究人員皆對鋼箱拱橋的研究作出巨大貢獻，本文在借鑒前人研究的同時，以南寧羅文大橋為例，首先提出拱箱節(jié)段在扣索張拉過程中關鍵控制點變形的公式，而后利用Midas Civil軟件建立該橋主拱圈模型，計算驗證所提出的公式，并提取主拱圈關鍵控制節(jié)點位移，從而揭示鋼箱拱在其過程中的線型變化規(guī)律。

1工程概況

羅文大橋為一座飛燕式鋼箱拱橋，其主拱圈計算跨徑為180m，計算矢高為50m，矢跨比為1/3.462，主拱拱軸線采用二次拋物線，鋼箱拱肋采用等寬變高的單箱單室截面形式，截面寬度為2.5m。自拱腳向拱頂，拱箱截面高度由3.96m漸變至2.70m，鋼箱拱頂板、底板均采用24m厚度鋼板，腹板厚度取20mm。

2吊裝方案

根據(jù)現(xiàn)場實際條件與施工的便利性，首先在兩岸架設索塔，通過纜索吊裝法將鋼箱拱肋分節(jié)段吊裝至預設位置，當一段安裝完畢后張拉扣索，使該拱段獲得一定預抬量后再進行下一段的吊裝。主橋共兩跨主拱，每片拱肋共分為9個鋼箱節(jié)段，節(jié)段劃分見圖1。其中最長吊裝節(jié)段為主拱3，質量約為57.6t，長21.005m;最短吊裝節(jié)段為主拱5，質量約為17.3t，長7.327m?？刂泣c布置于各斜拉索扣點附近，單片拱肋共計9個控制點，本次選取其中3個控制點進行計算驗證。吊裝節(jié)段劃分及控制點布置如圖1所示。

3理論公式的提出

將各段鋼箱拱簡化為直線進行理論計算，計算示意圖如圖2所示。當前拱段控制點的位移是由扣索索力與自重所引起的位移共同疊加而得。

根據(jù)材料力學懸臂梁撓度計算公式可得以下公式，計算第i拱段控制點在集中力作用下縱向及豎向位移：

4有限元模型及計算結果

4.1模型介紹

為探究吊裝施工過程中主拱圈關鍵截面的控制指標變化情況，本文通過數(shù)值分析軟件Midas Civil建立羅文大橋有限元計算模型，整個模型共計20836個單元。其中包括拱肋單元、桁架單元、梁單元三種形式。其中拱肋采用空間梁單元模擬，其截面參數(shù)根據(jù)實際拱肋截面特征而定，并將其余附屬部分的質量分別計入相關拱肋單元中;由于索塔桿件與分配梁受力特性的不同，以桁架單元模擬索塔桿件，以梁單元模擬塔頂分配量，模型中較為完整地建立了吊、扣塔的模型，基本未進行簡化;系桿與吊桿皆采用桁架單元模擬，并已將初始拉應力施加于單元上。有限元模型圖如圖3所示。

模型邊界條件形式主要為：（1）橋面主梁梁端采取全約束的形式;（2）P10、P11以及P12三座橋墩底部采用全約束;（3）斜拉索錨定端采用節(jié)點全約束。全橋考慮自重，施工過程的荷載主要為各錨索和臨時索索力，各施工階段索力大小按表2施加，其余未列舉出的索力與已有索力相近，故在此省略。

4.2鋼箱拱肋各控制點線形計算結果

通過模型計算可得：P10～P11墩間上游拱肋安裝過程中主要施工階段控制點縱向、豎向位移分別見表3;P11～p12墩間上游拱肋安裝過程中主要施工階段控制點縱向、豎向位移規(guī)律皆與P10～P11墩相同;下游拱肋位移基本與此相同，皆不再贅述。

根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T F50-2011）表15.4.11可知，主拱圈安裝軸線偏位≤L/6000且≤40mm，拱圈高程安裝誤差控制在±L/30001且≤50mm。由以上數(shù)據(jù)可知，整個施工過程線形偏移皆滿足規(guī)范要求。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)：扣索張拉過程中，各控制截面關鍵點的位移隨施工過程的進行呈現(xiàn)疊加的趨勢，即當前段吊裝的位移會累積至其后的工序當中，故同一關鍵點的豎向、縱向位移不斷增加。同時，出于拱肋吊裝對線形影響的原因，在每節(jié)段吊裝安裝過程中，由于之前施工階段與索塔位移偏移量的積累，使得已安裝完成的節(jié)段出現(xiàn)較大位移。因此，需在前一階段通過增大扣錨索張拉力預抬一定量，當下節(jié)段吊裝完成后能回到設計位置。此外，由于主拱圈左右半拱并非完全對稱，且靠近P10的吊裝節(jié)段質量大于靠近p11的吊裝節(jié)段，所以前者位移偏移量與施工預抬量皆大于后者。

由表4和圖4～5可知，理論計算結果與數(shù)值模擬結果較為吻合，控制點縱向、豎向的位移結果皆相近。

5結語

本文以南寧羅文大橋為例，提出吊裝過程中主拱圈關鍵點的線形變化公式，而后建立有限元分析模型，通過選取P11墩上拱段進行計算，對比發(fā)現(xiàn)理論推導公式計算結果與數(shù)值模擬分析結果二者較為吻合，同時，羅文大橋主拱圈扣索張拉施工過程安全可行。在整個施工過程中各控制點縱向、豎向最大位移分別達到-14.6mm和32.6mm，皆出現(xiàn)于張拉尸11墩上游主拱4段扣索工況。根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》主拱圈安裝軸線偏位≤L/6000且≤40mm、拱圈高程安裝誤差控制在±L/3000且≤50mm的要求，可知施工過程安全且有較大富余。此外，施工過程中各拱段線形偏移遵循疊加效應。根據(jù)理論計算公式以及數(shù)值模擬分析結果可知，當前安裝拱段的縱向、豎向位移是由本段的偏移量與之前拱段的偏移量累加而得。因此在施工控制時，為避免后續(xù)拱段誤差過大，需要注意對前幾段拱肋安裝誤差的控制。