下承式鋼箱拱橋纜索吊裝施工過程有限元分析

周廣騰 （安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

拱橋的施工方法分為有支架方法和無支架方法。無支架施工法包括纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法、懸臂施工法等。纜索吊裝施工方法具有經(jīng)濟(jì)、安全、適用范圍廣等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大跨徑拱橋施工中。大跨度拱橋纜索吊裝施工一般采用兩岸對稱懸拼至跨中合龍的斜拉扣掛法，為了保證成橋后的線形符合設(shè)計(jì)要求，必須提前對施工索力及構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，并在施工中及時糾偏，其中施工過程仿真計(jì)算是施工控制的核心和前提。

1 工程概況

某下承式鋼箱拱橋主跨160m，矢高32m，橋面寬13.86m。橋面結(jié)構(gòu)采用縱橫梁結(jié)構(gòu)體系，混凝土橋面，橫橋向雙坡，坡度1.5%。系梁為箱型截面，端橫梁為箱型截面，其余橫梁均為工字型截面。主橋正視圖見圖1所示。

圖1 全橋正視圖

本橋采用纜索吊裝法施工，通過在兩側(cè)主墩設(shè)置扣塔、主塔，扣吊合一，扣塔底部固接，主塔鉸接于扣塔之上。利用纜索吊進(jìn)行構(gòu)件的吊運(yùn)和拼裝，吊裝示意見圖2所示。主拱分為15節(jié)段進(jìn)行拼裝，合龍成型后，拆除扣索，采用懸拼架設(shè)橋面體系，并進(jìn)行吊桿安裝和張拉。

圖2 纜索吊裝示意圖

2 有限元模型

鋼箱拱節(jié)段采用纜索吊裝法施工，懸拼的節(jié)段通過扣索錨固于扣塔上，施工過程較為復(fù)雜。為了準(zhǔn)確模擬整個結(jié)構(gòu)體系的受力行為，采用空間桿系有限元程序?qū)χ饕芰Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，包括拱肋、肋間連系、臨時塔架（采用萬能桿件拼裝）、塔架纜風(fēng)索、錨索、扣索等，有限元模型如圖3、圖4所示。模型中以荷載形式考慮主索道及工作索道的影響。在模型中，扣索采用索單元模擬，其他構(gòu)件均采用空間梁單元模擬。拱肋的吊裝過程共編制了10073個梁單元，56個索單元，2736個節(jié)點(diǎn)。

圖3 整體有限元模型圖

圖4 主塔、扣塔模型圖

3 計(jì)算荷載

3.1 結(jié)構(gòu)自重

構(gòu)件自重根據(jù)構(gòu)件幾何尺寸和材料容重由程序自動計(jì)算，并考慮1.2的自重調(diào)整系數(shù)，以計(jì)入節(jié)點(diǎn)板、拼接板和螺栓等重量。

3.2 吊裝荷載

吊裝荷載主要是主橋拱肋的分段重量，見表1，吊裝荷載需考慮1.3的動載系數(shù)。

拱肋分段重量統(tǒng)計(jì)表 表1

3.3 風(fēng)荷載

本工程項(xiàng)目地處南亞，依據(jù)《公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（AASHTO）考慮風(fēng)荷載。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為100年一遇，對施工架設(shè)期橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)取0.75。

3.3.1 鋼箱拱

設(shè)計(jì)風(fēng)速為160km/h，換算設(shè)計(jì)高程風(fēng)速（72m處）：

考慮施工階段10年一遇，進(jìn)行風(fēng)荷載折減，風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)取0.75，故：

3.3.2 塔架

設(shè)計(jì)風(fēng)速為160km/h，換算設(shè)計(jì)高程風(fēng)速（100m處）：

考慮施工階段10年一遇，進(jìn)行風(fēng)荷載折減，風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)取0.75，故：

4 施工階段劃分及過程控制目標(biāo)

根據(jù)全橋施工流程，拱肋安裝階段有限元模型的施工階段劃分見表2所示。拱肋安裝過程的總體控制目標(biāo)是“在拱肋合龍時使拱肋各節(jié)點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)理論軸線”，即當(dāng)拱肋合龍后，放松扣索及錨索前，各節(jié)點(diǎn)Y向和Z向位移達(dá)到設(shè)計(jì)理論軸線。為了簡化施工，避免頻繁調(diào)節(jié)錨索及扣索索力，在施工過程中采取僅張拉當(dāng)前錨扣索的原則，在拱肋合龍的前一階段調(diào)節(jié)全部錨索及扣索索力，預(yù)抬高拱肋懸臂端，使得安裝合龍段后拱肋各節(jié)點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)理論軸線。

施工階段劃分表 表2

5 拱肋吊裝過程分析結(jié)果

施工時采用定長扣索法進(jìn)行控制，即在施工過程中，考慮拱肋后續(xù)施工拱肋節(jié)段對已施工拱肋節(jié)段的影響，預(yù)先給拱肋節(jié)段一定的預(yù)抬高度，在以后的拱肋節(jié)段安裝中不再調(diào)整扣索索力，隨著拱肋節(jié)段的不斷施工，拱肋節(jié)段的預(yù)抬高值逐漸被扣索的伸長量抵消，到拱肋合龍時，預(yù)抬高值剛好被抵消，拱肋軸線剛好落在設(shè)計(jì)拱軸線上。在具體施工階段，具體索力值見表3、表4所示。施工控制時采用“雙控”，即變形、索力控制，以變形控制為主，索力控制為輔。拱肋吊裝各階段拱肋位移見表5所示，主塔、扣塔應(yīng)力見表6所示。

各階段扣索索力表（單位：kN） 表3

各階段錨索索力表（單位：kN） 表4

各階段拱肋節(jié)點(diǎn)相對位移表（單位：mm） 表5

各階段應(yīng)力表（單位：MPa） 表6

6 結(jié)論

分析結(jié)果表明，本橋拱肋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)方案安全可靠。施工過程中線形誤差滿足施工控制要求，各施工階段主塔、扣塔、扣索等強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，本案例可為類似工程施工提供借鑒。