拱橋斜拉扣掛施工扣塔結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

王生澤，李明，李利，胡宗軍，牛忠榮

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中鐵上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436)

0 引言

斜拉扣掛法是大跨度拱橋施工的主要方法。斜拉扣掛體系中扣塔是重要承載結(jié)構(gòu)，拱肋自重等施工荷載均通過(guò)扣索傳遞到扣塔上。施工過(guò)程中扣塔結(jié)構(gòu)工作環(huán)境一般較為惡劣，承受施工地區(qū)較大的晝夜溫差以及風(fēng)荷載作用。長(zhǎng)跨度引橋結(jié)構(gòu)與交界墩混凝土材料熱脹冷縮產(chǎn)生的變形對(duì)扣塔的工作性能也產(chǎn)生不利影響[1-4]。葉偉[5]以滬昆客專沅江大橋?yàn)楣こ桃劳羞M(jìn)行鐵路混凝土橋梁的溫度應(yīng)力研究，結(jié)合有限元軟件分析實(shí)測(cè)溫度下混凝土橋梁的豎向溫度應(yīng)力，并確定了此實(shí)體橋梁的最不利溫度梯度。Kim S H、Cho K I、Won J H 等人[6]對(duì)一座曲線橋梁進(jìn)行溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)溫差引起的不均勻溫度足以導(dǎo)致整個(gè)橋梁的破壞；莫增模[7]以廣州大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究風(fēng)速沿橋塔高度變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響程度，發(fā)現(xiàn)寒潮時(shí)橋塔溫度應(yīng)力隨風(fēng)速的增大呈最不利趨勢(shì)。拱橋斜拉扣掛施工過(guò)程中不完整結(jié)構(gòu)體系存在多次轉(zhuǎn)換，當(dāng)溫度與風(fēng)荷載共同作用時(shí)，扣塔結(jié)構(gòu)受到的安全威脅更大。因此應(yīng)對(duì)扣塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程模擬和結(jié)構(gòu)安全分析，保證斜拉扣掛施工安全和施工質(zhì)量[8-11]。

1 工程背景

某新建雙線特大橋主橋?yàn)閯判怨羌茕摻罨炷辽铣惺教峄@拱橋，鋼桁拱肋勁性骨架主拱拱跨340 m，矢高74 m。主拱圈水平面內(nèi)呈X 形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室拱肋組成，拱頂合并為單箱三室截面，分叉段半幅采用三道橫梁連接。拱箱外緣高度由拱腳處高11 m 變至拱頂處高6 m。拱軸Z 軸立面內(nèi)線形采用懸鏈線，Y 軸豎面整體內(nèi)傾3.48 °，形成拱腳分叉的X 型結(jié)構(gòu)。拱肋主弦鋼管為φ750×24 (單位：mm)，橫梁弦管為φ560×16 (單位：mm)，聯(lián)接系為四肢組合角鋼結(jié)構(gòu)，腹桿為4L200 mm×20 mm、上下平聯(lián)為4L160 mm×16 mm、其余連接件為4L90 mm×12 mm。拱肋合龍效果如圖1 所示。

圖1 拱肋合龍效果示意圖

扣塔體系由交界墩、扣塔主塔架、引橋、扣索、錨索組成。交界墩高72.455 m，底部承臺(tái)跨17.117 m，墩頂平臺(tái)長(zhǎng)9 m，寬6 m，材料為C40 混凝土。交界墩墩身設(shè)置4 層張拉分配梁?？鬯魉芨?7.845 m，采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，橫橋向?qū)?.4 m，縱橋向?qū)?.2 m，材料為鋼材Q345D。立柱采用六根φ630×20(單位：mm)鋼管，連接系橫桿采用φ325×10 鋼管，斜桿采用φ273×8(單位：mm)鋼管。扣塔結(jié)構(gòu)6 根鋼管立柱與橫桿、斜腹桿連接，形成穩(wěn)定的空間桁架結(jié)構(gòu)。引橋搭接于交界墩上，扣塔結(jié)構(gòu)的三排柱腳中一排柱腳搭建在引橋上頂面，另兩排柱腳搭建在交界墩墩頂，如圖2 所示。

圖2 #J2扣塔柱腳結(jié)構(gòu)示意圖

拱肋吊裝斜拉扣掛施工具體方案如下：

(1)拱肋斜拉扣掛吊裝施工共分為16 個(gè)階段，每個(gè)施工階段待拱肋節(jié)段吊裝就位后，扣索錨索張拉至計(jì)算索力值。從拱腳至拱頂逐節(jié)安裝，第16階段完成后采用強(qiáng)迫合龍法進(jìn)行拱肋合龍，斜拉扣掛施工過(guò)程如圖3 所示。

圖3 斜拉扣掛施工過(guò)程示意圖

(2)交界墩分布四層張拉分配梁?？鬯骱湾^索對(duì)稱張拉，如圖4(a)所示。扣塔結(jié)構(gòu)共設(shè)置三層分配梁，如圖4(b)所示。施工過(guò)程中前5 個(gè)施工階段扣索、錨索均掛于交界墩分配梁處，第6-16 施工階段，扣索、錨索均掛于扣塔結(jié)構(gòu)分配梁處。

(3)各個(gè)施工階段扣索和錨索根據(jù)計(jì)算索力進(jìn)行一次張拉到位，待拱肋合龍后拆除繩索。

2 力學(xué)模型

圖4 扣塔體系分配梁示意圖

扣塔一排柱腳ZJ1 搭接在引橋上頂面并且設(shè)置反扣滑移裝置。在反扣卡槽中涂抹黃油，使柱腳ZJ1 在水平面內(nèi)縱橋向可滑移?？鬯硗鈨膳胖_ZJ2、ZJ3 搭接于交界墩的頂面，柱底底板與交界墩頂?shù)某瓑|焊塊滿焊固定。引橋下底面與交界墩頂設(shè)置滑動(dòng)鉸，使其在水平縱橋向可滑移。塔架柱腳結(jié)構(gòu)如圖2 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作條件，對(duì)ZJ1、ZJ2、ZJ3 做出相應(yīng)的力學(xué)模型的簡(jiǎn)化[12，13]。由于柱腳ZJ2、ZJ3 與交界墩之間通過(guò)底板與抄墊焊塊滿焊，所以兩者之間的連接方式采用剛接。柱腳ZJ1 與交界墩之間設(shè)置了反扣滑移結(jié)構(gòu)，即此處約束豎直方向位移和水平面內(nèi)橫橋方向位移，釋放水平面內(nèi)順橋方向位移和節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。引橋與交界墩之間采用滑動(dòng)鉸，其連接處約束豎直方向和水平面內(nèi)橫橋方向位移，釋放水平面內(nèi)順橋方向位移和節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

扣塔分配梁與雙工字型錨梁底面滿焊連接，承擔(dān)了斜拉扣掛施工過(guò)程中由斜拉索傳遞過(guò)來(lái)的荷載。分配梁與錨梁之間采用剛性節(jié)點(diǎn)。扣索、錨索的截面厚度根據(jù)多次迭代計(jì)算的索力值[14，15]確定?？鬯?、錨索與錨梁之間為鉸接，錨索與錨定之間鉸接。

3 有限元計(jì)算模型

應(yīng)用Midas/Civil 有限元軟件進(jìn)行整體建模，有限元模型共有4494 個(gè)節(jié)點(diǎn)，8212 個(gè)單元，其中索結(jié)構(gòu)為桁架單元，引橋結(jié)構(gòu)為實(shí)體單元，扣塔與拱肋結(jié)構(gòu)為梁?jiǎn)卧?。交界墩底約束為固結(jié)，錨索錨碇處約束均為鉸接。

計(jì)算模型中整體坐標(biāo)系為笛卡爾直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于#J2 側(cè)扣塔中軸線上，x 方向?yàn)榭v橋向，y方向?yàn)闄M橋向，z 方向?yàn)樨Q向。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型示意圖

4 計(jì)算分析

4.1 計(jì)算荷載

(1)恒載。整體分析模型中，拱肋各個(gè)節(jié)段和扣塔結(jié)構(gòu)的重量通過(guò)調(diào)整材料密度與結(jié)構(gòu)實(shí)際重量進(jìn)行匹配，拱肋總重為4328.6 t，單側(cè)扣塔總重為127.3 t。

(2)索力。各個(gè)施工階段的扣索、錨索索力應(yīng)用未知荷載系數(shù)法計(jì)算獲得。

(3)風(fēng)載。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[16]，風(fēng)壓計(jì)算公式為：

其中F 為總風(fēng)荷載；A 為構(gòu)件迎風(fēng)面積；Φ 為填充系數(shù)，取值0.4；wk為計(jì)算風(fēng)壓。

風(fēng)壓計(jì)算公式為：

其中，w0為基本風(fēng)壓，計(jì)算時(shí)取值400 Pa；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取值1.52；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；βz為風(fēng)振系數(shù)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，扣塔系統(tǒng)風(fēng)振系數(shù)按高程每隔10 m 進(jìn)行計(jì)算取值。

結(jié)合公式(1)、公式(2)，計(jì)算得到縱橋向總風(fēng)荷載F1=828.37 kN；橫橋向總風(fēng)荷載F2=225.41 kN。

在有限元計(jì)算時(shí)，將風(fēng)載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力，直接施加于單元節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)荷載數(shù)值如表1、表2所示。

(4)溫度荷載。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料，斜拉扣掛施工期間地區(qū)晝夜溫差較大，故考慮±20℃的溫度變化。

根據(jù)鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[17]，在基本荷載基礎(chǔ)上根據(jù)工程實(shí)際，計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)了如下荷載組合：

①施工全過(guò)程計(jì)算荷載組合為：1.0 恒載(1.45扣塔自重+1.0 拱肋自重)+1.0 索力。

②危險(xiǎn)工況下扣塔安全性驗(yàn)算荷載組合為：1.0 恒載+1.0 索力+1.0 風(fēng)荷載+1.0 溫度荷載。

表1 扣塔縱橋向風(fēng)荷載

表2 扣塔橫橋向風(fēng)荷載

4.2 施工工況

應(yīng)用有限元軟件Midas/Civil 施工步模塊對(duì)拱肋斜拉扣掛施工全過(guò)程進(jìn)行施工過(guò)程分析，共分為16 個(gè)施工階段。拱肋節(jié)段從拱腳至拱頂逐節(jié)吊裝，扣塔斜拉索扣掛從下至上逐步進(jìn)行。計(jì)算時(shí)，每個(gè)施工階段均考慮恒載和扣錨索索力對(duì)扣塔結(jié)構(gòu)的影響。

拱肋合龍后，結(jié)構(gòu)將形成順橋向剛度，對(duì)拱肋和扣塔受力有利。因此本文選取合龍前，拱肋最大懸臂狀態(tài)的第16 施工階段作為扣塔結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)，即受力最不利狀態(tài)，進(jìn)行計(jì)算分析[18]。

計(jì)算時(shí)，在極限狀態(tài)下(考慮的荷載形式組合主要有恒載、扣錨索索力、溫度、50 年一遇風(fēng)荷載等)，風(fēng)荷載按照縱橋向、橫橋向兩個(gè)方向分別施加[19]。極限工況下扣塔荷載組合如表3 所示。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 施工過(guò)程分析計(jì)算結(jié)果

扣塔結(jié)構(gòu)在斜拉扣掛施工各個(gè)階段下的最大組合應(yīng)力結(jié)果如圖6 所示。第1-5 施工階段繩索均掛于交界墩錨梁處，扣塔僅受自重作用，未受索力影響，最大組合應(yīng)力為-21 MPa，出現(xiàn)在柱腳位置，呈受壓狀態(tài)。施工至第6 階段，扣索、錨索掛于扣塔KF3 分配梁，分配梁拉應(yīng)力有較大增幅，組合應(yīng)力為53 MPa，此后應(yīng)力增長(zhǎng)平穩(wěn)，至第11 階段達(dá)到峰值，為100 MPa。前15 個(gè)施工階段最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)于KF3 分配梁。第16 施工階段KF1分配梁出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，值為125 MPa，如圖7 所示。反觀扣塔壓應(yīng)力呈逐步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在前13 個(gè)施工階段增長(zhǎng)平穩(wěn)。第14 施工階段扣塔立柱組合應(yīng)力急增至-114 MPa，在第15 施工階段達(dá)到峰值，應(yīng)力值為-124 MPa，如圖8 所示。

圖6 施工全過(guò)程扣塔結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力

表3 極限狀態(tài)下扣塔荷載組合表

圖7 第16階段扣塔系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖8 第15階段扣塔系統(tǒng)應(yīng)力圖

綜合計(jì)算結(jié)果，施工過(guò)程中扣塔分配梁位置拉應(yīng)力較大，這是由于斜拉索和扣塔的張拉角度造成的。以扣塔為中心，扣索、錨索均呈外八字狀張拉，如圖9 所示，斜拉索橫橋向的水平分力作用于分配梁上，導(dǎo)致產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。在施工過(guò)程中扣塔壓應(yīng)力主要出現(xiàn)于立柱位置，前13 個(gè)施工階段應(yīng)力增長(zhǎng)平穩(wěn)，至第14 施工階段應(yīng)力出現(xiàn)激增，這與拱肋節(jié)段重量的增大以及與扣塔水平夾角的減小有關(guān)，扣索需要較大的張拉力才能提供足夠的豎向力來(lái)提拉拱肋。同時(shí)為了平衡扣塔的水平縱橋向位移，須加大錨索力。在扣索力、錨索力共同作用下，扣塔立柱的應(yīng)力增長(zhǎng)較大，在第15 施工階段達(dá)到應(yīng)力峰值，組合應(yīng)力值為-124 MPa。

圖9 整體模型俯視圖

拱肋懸臂拼裝過(guò)程中扣塔偏位對(duì)拱肋線形影響顯著。計(jì)算時(shí)以拱肋高程、扣塔偏位為變形控制條件，應(yīng)用未知荷載系數(shù)法以結(jié)構(gòu)變形為控制條件對(duì)扣錨索的張拉力進(jìn)行多次迭代。拱肋合龍前扣塔各個(gè)施工階段水平縱橋向位移如圖10 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，扣塔結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中水平縱橋向最大位移為9 mm，出現(xiàn)在第8 施工階段。施工全過(guò)程位移控制在10 mm 以內(nèi)，滿足施工要求。

圖10 施工全階段下扣塔結(jié)構(gòu)最大位移

5.2 極限工況下扣塔結(jié)構(gòu)安全性分析

極限工況下，扣塔結(jié)構(gòu)不同高度的最大位移結(jié)果如圖11 所示。工況2 下扣塔結(jié)構(gòu)整體位移較大，達(dá)到36 mm，滿足規(guī)范要求[20]。最大位移發(fā)生在扣塔的頂部，如圖12 所示。工況2 扣塔在升溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)位移傾向于主橋方向，同時(shí)疊加由引橋至主橋方向的大風(fēng)荷載，使整個(gè)扣塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形。

圖11 4種極限工況不同高度扣塔的最大位移

圖12 工況2扣塔結(jié)構(gòu)位移

極限工況下，扣塔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力結(jié)果如表4所示。4 種工況下扣塔結(jié)構(gòu)最大拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)位置相同。工況2 下扣塔應(yīng)力最大，組合應(yīng)力為127 MPa。如圖13 所示，小于扣塔結(jié)構(gòu)主材Q345鋼材的強(qiáng)度容許值，因此扣塔整體強(qiáng)度滿足要求。

圖13 工況2扣塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力

扣塔結(jié)構(gòu)不同高度的最大壓應(yīng)力結(jié)果如圖14 所示。工況2 下的壓應(yīng)力最大，組合應(yīng)力為-117 MPa。極限狀態(tài)的4 種工況下的最大壓應(yīng)力結(jié)果相近，位置均出現(xiàn)于扣塔頂部。這是由于在扣塔頂部與溫度、風(fēng)荷載相比，扣錨索較大張力對(duì)于應(yīng)力的影響占主導(dǎo)?？鬯撞窟h(yuǎn)離索力作用區(qū)域，受溫度與風(fēng)荷載影響較大，不同工況最大應(yīng)力值差異較大。

圖14 4種極限工況不同高度扣塔的最大應(yīng)力

6 結(jié)論

本文以某新建高鐵雙線特大拱橋?yàn)楣こ桃劳?，?yīng)用有限元軟件Midas/Civil 對(duì)拱肋斜拉扣掛施工過(guò)程中扣塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析，獲得各個(gè)施工階段下扣塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明扣塔結(jié)構(gòu)中分配梁與立柱的應(yīng)力較大，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該部位的監(jiān)控和檢修。

根據(jù)扣塔結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的安全性分析，得出索力、溫度、風(fēng)荷載對(duì)于扣塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律如下：

(1)在扣錨索力直接作用區(qū)域，繩索張力對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響占據(jù)主導(dǎo)作用。

(2)遠(yuǎn)離索力作用區(qū)域，溫度、風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力影響較大。因此在施工過(guò)程中應(yīng)注意氣象監(jiān)測(cè)，關(guān)注不利外部環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

(3)扣塔結(jié)構(gòu)在最不利工況下，應(yīng)力和位移均滿足規(guī)范要求，且有一定的安全裕度。

上述規(guī)律可為扣塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和具體施工計(jì)劃的制定提供參考。