羅文大橋纜索吊裝施工系統(tǒng)力學(xué)分析

李 彪， 羅 天

(1.南寧城市建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 南寧 530033； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 成都 610041)

大跨度拱橋受施工條件的限制，常常采用無支架施工方法，包括懸臂施工法和纜索吊裝法[1-3]。其中，懸臂施工法既有利于通航，又能進(jìn)行變截面橋梁結(jié)構(gòu)的施工，但施工工藝要求高，靈活性小[4]；纜索吊裝施工法一般是先把拱肋在預(yù)制場預(yù)制好，后運(yùn)輸至吊場，通過纜索吊裝系統(tǒng)的索系運(yùn)送至安裝拼接位置，調(diào)整扣索使吊裝拱肋的拱軸線符合設(shè)計(jì)的拱軸線。纜索吊裝施工法在橫橋向和順橋向運(yùn)送拱肋比較靈活，在大跨徑的拱橋施工中應(yīng)用更為廣泛。纜索吊裝系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成：塔架及風(fēng)纜索，纜索系統(tǒng)，跑車，錨碇裝置。其中，塔架主要承擔(dān)主索、起重索、牽引索及扣索等索系組成部分，是纜索吊裝中最關(guān)鍵的部分，關(guān)乎施工能否順利、安全進(jìn)行，很多學(xué)者對塔架進(jìn)行了研究。D.Brun等[5]提出了一種基于懸鏈線的計(jì)算模型用于計(jì)算起重索的線形。Wojciech 等[6]對起重索在施工過程中的安全性進(jìn)行了詳細(xì)研究。楊勝等[7]通過有限元法優(yōu)化了纜索吊裝施工過程中的索力。戴鵬等[8]提出了拱橋纜索吊裝施工方法的動坐標(biāo)迭代法計(jì)算理論。羅才英等[9]根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范提出了纜索吊裝的關(guān)鍵控制點(diǎn)。向中富等[10]通過實(shí)際工程研究了中乘式拱橋纜索吊裝施工技術(shù)。這些研究均表明，在纜索吊裝施工中，結(jié)構(gòu)力學(xué)特征復(fù)雜，局部易出現(xiàn)受力不合理的現(xiàn)象，會給橋梁施工和運(yùn)營帶來安全隱患[11-13]。因此，針對特定的大橋，有必要對拱橋纜索吊裝施工和成橋時的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行研究分析，保證橋梁安全。

為研究拱橋在纜索吊裝施工中結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，選取羅文大橋纜索吊裝施工方法為研究對象，采用有限元分析，對該橋纜索吊裝施工過程和成橋狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算研究，獲取其受力特征，為羅文大橋的纜索吊裝施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為同類型橋梁設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

羅文大橋地處南寧邕江，主橋全長460 m，全橋布置為50 m+2×180 m+50 m，為海鷗式雙跨系桿鋼箱梁拱橋，主拱高50 m，跨徑為180 m，由三角鋼架區(qū)和主拱段組成，整體為梁-拱協(xié)作體系。主梁橋面為鋼箱邊主梁形式，全寬41.5 m，整體布置如圖1所示。

(a) 全橋布置

(b) 主梁橫斷面

2 纜索吊裝施工方法

與一般橋梁的纜索吊裝施工方法不同，羅文大橋根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所處環(huán)境情況，采用“纜索吊拱，以拱提梁”的纜索吊裝施工方法，具體施工步驟為：

1) 主橋鋼箱拱、鋼箱梁節(jié)段等在工廠預(yù)制好后運(yùn)送至施工現(xiàn)場，用于起吊吊裝；

2) 利用兩岸的索塔作為扣塔，采取“扣掛合一”方式，中間墩位設(shè)一扣塔，掛扣系統(tǒng)在吊裝完拱后進(jìn)行拆除；

3) 主拱的鋼箱利用單組索道進(jìn)行起吊，完成主拱吊裝，根據(jù)拱段的重量、高度和線形，設(shè)計(jì)計(jì)算纜索吊裝吊機(jī)的額定起重量、塔架的形式和高度，主纜參數(shù)等；

4) 主拱吊裝完成后，利用在拱上的吊架對鋼箱梁主梁進(jìn)行提升，完成主梁吊裝。整個吊裝施工法過程如圖2所示。

該橋在拱肋吊裝施工過程采用了“掛扣合一”的方法，該方法的主要優(yōu)勢在于對線形控制較好，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)合龍。傳統(tǒng)的合龍技術(shù)需要對每一段拱肋進(jìn)行高度預(yù)設(shè)，在合龍段合龍時，按照比例調(diào)節(jié)各拱肋對應(yīng)的扣索，直至合龍?！皰炜酆弦弧钡氖┕し椒ㄊ窍壤吖昂淆垼蠓潘煽鬯?。但這種方法對整體技術(shù)要求較高，在施工前需確保每階段的計(jì)算精確。

3 施工過程有限元計(jì)算

3.1 有限元建模

為了分析羅文大橋施工過程和吊裝完成后成橋態(tài)結(jié)構(gòu)受力特征，建立了全橋有限元模型。其中鋼箱主梁采用梁單元和板單元的混合有限元模型、三腳剛架區(qū)混凝土主梁采用梁格法、影響面加載采用虛擬橋面板方式、混凝土拱肋與鋼箱拱肋均采用空間梁單元、混凝土拱座從混凝土拱肋的底部到承臺頂用變截面梁單元、系桿索和吊索采用桿單元、吊索與拱肋和主梁的連接采用鉸接方式、承臺和樁基均采用空間梁單元。

(a) 主拱肋吊裝

(b) 主梁吊裝

羅文大橋的2個計(jì)算模型邊界約束條件如表1所示，材料參數(shù)如表2所示，全橋有限元模型如圖3所示。

3.2 有限元模型計(jì)算工況

為對施工階段進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，在有限元軟件中全橋施工流程被分為25個階段，如表3所示。

4 纜索吊裝施工過程主橋結(jié)構(gòu)受力特征

4.1 主拱施工階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

選取拱肋合龍前最大懸臂階段、拱肋合龍拆除扣索階段等2個最危險的關(guān)鍵施工工況進(jìn)行施工階段特征值穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。最大懸臂狀態(tài)時，考慮橫向陣風(fēng)荷載作用，結(jié)構(gòu)首先表現(xiàn)為扣塔橫向失穩(wěn)，1階線彈性穩(wěn)定系數(shù)為18.5，當(dāng)不考慮扣塔穩(wěn)定性時(即假設(shè)扣塔不失穩(wěn))，結(jié)構(gòu)的1階線彈性穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)大于扣塔1階線彈性穩(wěn)定系數(shù)，如圖4(a)和(c)所示。拱肋合龍、張拉臨時系桿索并拆除扣索階段時，考慮橫向陣風(fēng)荷載作用，結(jié)構(gòu)的1階線彈性穩(wěn)定系數(shù)為71.9，為拱肋橫向失穩(wěn)，如圖4(b)和(d)所示。

表1 結(jié)構(gòu)各部位邊界約束條件

表2 全橋材料力學(xué)特性

圖3 羅文大橋纜索吊裝施工過程有限元模型

表3 施工階段劃分

(a) 最大懸臂階段扣塔

(b) 拱肋合龍拆除扣索階段拱肋

(c) 最大懸臂階段結(jié)構(gòu)1階失穩(wěn)模態(tài)

(d) 拱肋合龍拆除扣索階段拱肋1階失穩(wěn)模態(tài)

4.2 主拱施工階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

計(jì)算結(jié)果顯示，在吊裝拱肋的施工階段，主墩基礎(chǔ)最不利推力出現(xiàn)在拱肋合龍之前，為1 990 kN；在成橋階段，主墩基礎(chǔ)最不利推力為2 675 kN；在運(yùn)營階段，主墩基礎(chǔ)最不利推力為7 205 kN。整個施工過程中，扣索、錨索、吊桿、系桿的應(yīng)力均滿足安全性要求，結(jié)構(gòu)始終保持安全。

4.3 纜索吊裝施工完成后拱肋和主梁位移及受力狀態(tài)

拱肋和主梁在纜索吊裝施工及二期恒載澆筑后，拱肋豎向最大位移為-32.6 mm，撓跨比為32.6/180 000=1/5 521；主梁豎向最大位移為 -12.0 mm，撓跨比為12.0/180 000=1/15 000，均滿足設(shè)計(jì)要求。

主拱和三角鋼架彎矩介于-91 791 kN·m～+44 284 kN·m之間，最大彎矩和最小彎矩均位于三角鋼架拱梁結(jié)合處，主拱和三角鋼架軸力介于 -4 389 kN～+139 143 kN之間，最小軸力位于邊跨三角鋼架主跨側(cè)拱梁結(jié)合處。

除拱梁結(jié)合處的局部出現(xiàn)拉應(yīng)力和較大壓應(yīng)力外，拱肋和主梁在纜索吊裝施工完成后，下邊跨三角鋼架處于良好的彈性受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為-14.8 MPa；下中跨三角鋼架也處于良好的彈性受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為-12.0 MPa。

在有限元模型中由于采用虛擬梁和剛臂近似模擬三角鋼架拱梁結(jié)合處的連接狀態(tài)，而該處的構(gòu)造和傳力機(jī)制比較復(fù)雜，因此，實(shí)際應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

拱肋和主梁在纜索吊裝施工完成后，鋼主拱和鋼副拱最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為21.6 MPa和-84.2 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的屈服應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 拱肋纜索吊裝施工過程建議

從有限元計(jì)算結(jié)果已知，總體施工方案是安全的，各構(gòu)件內(nèi)力、應(yīng)力在施工過程中都能滿足規(guī)范要求。同時，拱肋合龍前最大懸臂施工階段是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最不利工況，且塔架結(jié)構(gòu)在施工過程中的某些桿件受力較大，在成橋階段三角鋼架拱梁結(jié)合處所受彎矩和軸力較大。針對以上問題，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，建議采取以下措施使得結(jié)構(gòu)體系受力更合理。

1) 通過張拉系桿來平衡拱肋產(chǎn)生的恒載水平推力，基礎(chǔ)僅承受活載產(chǎn)生的一部分水平推力。

2) 由于中跨恒載遠(yuǎn)大于邊跨，使得主墩和三角鋼架承受了不平衡荷載，在拱圈合龍前調(diào)整扣索拉力，以使邊主墩預(yù)承受反向彎矩，解決受力不平衡的問題。

3) 為改善邊跨混凝土三角鋼架斜腿的內(nèi)力，分析了影響其最敏感的因素，發(fā)現(xiàn)在于減小梁端部交界墩上支座恒載反力和系桿力。為此，通過在交界墩位置設(shè)置較小剛度的臨時支架，調(diào)整了三角鋼架段的彎矩，得到受力比較均衡的成橋內(nèi)力狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文以采用纜索吊裝施工方法的羅文大橋?yàn)檠芯繉ο?，通過建立有限元模型，分階段對其施工狀態(tài)和吊裝成橋狀態(tài)后的結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行模擬分析，主要有以下結(jié)論：

1) 根據(jù)現(xiàn)場條件擬采用“纜索吊拱，以拱提梁”“扣掛合一”等施工方法安全可行，吊裝施工過程中結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

2) 羅文大橋纜索系統(tǒng)在施工過程中部分構(gòu)件受力較大、在成橋階段三角鋼架拱梁結(jié)合處所受彎矩和軸力較大、拱肋合龍前最大懸臂施工階段是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)最不利工況，均需采取措施優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

3) 結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，建議通過采取拱圈合龍前調(diào)整扣索拉力、在交界墩位置設(shè)置較小剛度的臨時支架等措施優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系受力特性。