300 m級(jí)拱橋斜拉扣掛施工扣索松索順序優(yōu)化方案研究

摘要：為確保鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛施工中松索過(guò)程的安全、效率與精確性，文章以采用斜拉扣掛法施工的鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘?，基于Midas Civil軟件構(gòu)建了包括鋼管混凝土拱橋、鋼絞線扣索及側(cè)纜風(fēng)的三維空間結(jié)構(gòu)模型，模擬分析兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索和兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索這兩種松索順序?qū)皹蚪Y(jié)構(gòu)性能的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)兩種松索順序的影響規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：當(dāng)扣索松索達(dá)到索力峰值的50%時(shí)，兩種松索順序均存在較大過(guò)程變形和施工風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)扣索松索控制在10%～30%的索力時(shí)，其變形量可維持在安全閾值內(nèi)；相較于兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索，兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索在過(guò)程應(yīng)力和線形偏差上均表現(xiàn)更佳，能更有效地保證施工安全與進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；松索順序；有限元分析；結(jié)構(gòu)性能評(píng)估；拱圈線形

中圖分類號(hào)：U448.27" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.027

文章編號(hào)：1673-4874（2024）-0086-03

0引言

在當(dāng)今的鋼管混凝土拱橋工程實(shí)踐中，其創(chuàng)新施工控制技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高施工效率、確保結(jié)構(gòu)安全性至關(guān)重要［1］。在采用斜拉扣掛技術(shù)施工時(shí)，松索過(guò)程的控制直接關(guān)系到橋梁的結(jié)構(gòu)安全，不合理的松索順序和方式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在施工階段出現(xiàn)不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)［2］。因此，深入研究和探索科學(xué)、合理的松索策略對(duì)其施工過(guò)程的質(zhì)量以及提升施工安全和效率具有重要意義。

在斜拉扣掛施工控制技術(shù)的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列的研究工作，取得了一系列成果。張建民等［3-4］基于南寧永和大橋和巫峽長(zhǎng)江大橋等大跨度鋼管混凝土拱橋的案例，采取“結(jié)果最優(yōu)，過(guò)程可控”的線形控制理念，通過(guò)控制施工過(guò)程中的關(guān)鍵變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊裝施工階段中扣索力的精確計(jì)算。朱連偉和秦大燕等［5-6］采用“過(guò)程最優(yōu)，結(jié)果可控”的線形控制策略，結(jié)合力矩平衡法與影響矩陣法的原理，優(yōu)化了索力配置。該方法有效地優(yōu)化了施工過(guò)程中索力及線形的均勻性，從而提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工的精確性。需要說(shuō)明的是，現(xiàn)有的研究主要集中在拱肋吊裝過(guò)程扣索張拉時(shí)的索力優(yōu)化，而對(duì)松索過(guò)程順序優(yōu)化方法研究較少。有研究表明［7］，扣索拆除順序和方法會(huì)引起差異化的索力變化，進(jìn)而導(dǎo)致拱圈的位移和變形發(fā)生變化甚至超限，影響拱橋的安全，這也是保證施工過(guò)程中和松索后拱圈線形高精度閉環(huán)的關(guān)鍵所在。因此，有必要進(jìn)一步研究差異化松索情況對(duì)拱圈的位移和變形的影響規(guī)律。

本文結(jié)合實(shí)際工程需求，通過(guò)構(gòu)建包含鋼管混凝土拱橋、鋼絞線扣索及內(nèi)外側(cè)纜風(fēng)的三維空間結(jié)構(gòu)模型，利用Midas Civil軟件進(jìn)行模擬，以此為基礎(chǔ)分析不同松索順序?qū)皹蚪Y(jié)構(gòu)性能的具體影響；結(jié)合有限元分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)松索過(guò)程中的關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和評(píng)估，旨在找出最優(yōu)的松索策略，以期達(dá)到施工過(guò)程的最大化效率和結(jié)構(gòu)安全性的最優(yōu)化。

1工程背景及有限元模型

1.1工程背景

某鋼管混凝土拱橋工程特點(diǎn)如下：該橋?yàn)榭缍?20 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，標(biāo)準(zhǔn)寬度為29.9 m；主拱結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土桁式設(shè)計(jì)，矢高達(dá)71 m，矢跨比為1/4.51；拱軸線設(shè)計(jì)為懸鏈線形，拱軸系數(shù)為1.35；橋梁包含兩片拱肋，均為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)，拱鉸間的橫橋向中心距離為22.4 m。整體橋型的布置詳見圖1。

該橋采用纜索吊裝斜拉扣掛技術(shù)。每個(gè)拱肋被劃分為14個(gè)節(jié)段，依次按照拱圈扣點(diǎn)位置進(jìn)行吊裝。其中，項(xiàng)目跨度達(dá)425 m，北岸邊跨為300 m，南岸邊跨為320 m。施工采用了主扣合一的塔架結(jié)構(gòu)，且在塔底部進(jìn)行了固結(jié)處理，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.2有限元建模

在本文研究中，利用Midas Civil軟件構(gòu)建三維有限元模型，該模型包括鋼管混凝土拱橋、鋼絞線扣索及纜風(fēng)。其中，扣索及纜風(fēng)使用桁架元素進(jìn)行表示，其他結(jié)構(gòu)則通過(guò)空間梁元素表現(xiàn)。模型涵蓋了2 520個(gè)節(jié)點(diǎn)、112個(gè)桁架單元和3 956個(gè)梁?jiǎn)卧妶D2。建模過(guò)程中，根據(jù)拱肋吊裝的具體序列，分階段構(gòu)建了施工過(guò)程的模擬布局。主拱圈封閉階段前后，模擬采用鉸接和固定端條件以反映施工中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，扣索和纜風(fēng)與拱肋的連接則通過(guò)剛性方式實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，扣索的初次張拉力應(yīng)采用基于影響矩陣?yán)砟畹摹斑^(guò)程最優(yōu)，結(jié)果可控”的優(yōu)化策略［8］進(jìn)行設(shè)定。該方法通過(guò)計(jì)算由拱圈自重及各扣索力引起的位移影響矩陣，隨后建立一個(gè)基于最小化施工過(guò)程中控制點(diǎn)的位移與預(yù)定線形之間的偏差的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。此外，使用合龍后拱圈的實(shí)際線形與目標(biāo)線形之間的偏差作為約束條件，通過(guò)解決此優(yōu)化問題，可以確定施工過(guò)程中各扣索的初始張拉力。

為了全面模擬主拱圈的施工流程，建模工作將北岸的拱肋定義為A拱，南岸的拱肋定義為B拱，并依照施工方案的順序進(jìn)行。需要說(shuō)明的是，分別基于兩種松索順序進(jìn)行，其中第一種為兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索，即松索順序按A/B7、A/B6、A/B5、A/B4、A/B3、A/B2、A/B1、拆除纜風(fēng)順序逐級(jí)松索；第二種為兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索，即松索順序先按A/B7、A/B5、A/B3、A/B1，再按A/B6、A/B4、A/B2、拆除纜風(fēng)松索順序進(jìn)行。以上兩種松索順序均統(tǒng)一按當(dāng)前扣索索力峰值的10%、30%和50%進(jìn)行。

2有限元結(jié)果分析

2.1過(guò)程變形分析

當(dāng)采用兩種不同松索順序，對(duì)比各拱肋節(jié)段最大線形變形量，以南岸上游結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。由表1可知，當(dāng)采用兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索，松索值分別按峰值10%、30%和50%進(jìn)行時(shí)，過(guò)程節(jié)段拱肋單次最大變形量分別為36 mm、112 mm和280 mm，且當(dāng)按峰值50%松索時(shí)，拱1#～7#變形量分別為68 mm、113 mm、147 mm、174 mm、215 mm、252 mm和280 mm。同理，當(dāng)采用兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索時(shí)，松索值分別按峰值10%、30%和50%進(jìn)行時(shí)，過(guò)程節(jié)段拱肋單次最大變形量分別為28 mm、94 mm和221 mm，且當(dāng)按峰值50%松索時(shí)，拱1#～拱7#變形量分別為43 mm、65 mm、91 mm、110 mm、133 mm、184 mm和221 mm。由此可見，相較于兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索，兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索由于前后兩次松索間仍存在強(qiáng)受拉索充當(dāng)“紐帶”作用，單次松索變形量均小于前者，說(shuō)明兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索的位移變化相對(duì)較小，安全性也得到保證。

綜上所述可知，當(dāng)扣索松索達(dá)到索力峰值的50%時(shí)，無(wú)論采用何種松索順序，均會(huì)產(chǎn)生較為危險(xiǎn)的單次變形量，往往容易導(dǎo)致鋼管產(chǎn)生不均勻變形，從而影響結(jié)構(gòu)成橋安全狀態(tài)；當(dāng)扣索松索值介于10%～30%時(shí)，單次松索變形量均在安全合理范圍內(nèi)。需要說(shuō)明的是，當(dāng)扣索松索為索力峰值10%時(shí)，以該工程為例，全橋扣索總數(shù)為146根，則松索次數(shù)高達(dá)1 460次，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作操作人員工作量要求較大，且不利于降低施工成本。鑒于此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際松索時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況在10%～30%間選擇合理的松索峰值。

2.2過(guò)程應(yīng)力分析

由上述分析可知，在松索取10%～30%的索力峰值情況下，線形變形均滿足要求。進(jìn)一步通過(guò)應(yīng)力視角分析松索過(guò)程拱圈應(yīng)力變化情況，以松索30%的索力峰值作為對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知，當(dāng)采用兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索時(shí)，拱圈應(yīng)力峰值較大。相較于前者，當(dāng)采用兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索時(shí)，拱圈應(yīng)力普遍相對(duì)較小，在整個(gè)扣索拆除過(guò)程中，拱圈應(yīng)力均不超過(guò)鋼管自身的允許控制值355 MPa。由此可見，[P]在過(guò)程應(yīng)力視角中，兩種松索順序均較好滿足施工安全要求。需要說(shuō)明的是，若對(duì)應(yīng)力把控較為嚴(yán)格的情況下，仍優(yōu)先選擇兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索順序。

3目標(biāo)線形結(jié)果分析

同樣根據(jù)南岸上游現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)兩種松索順序的松索線形與目標(biāo)線形進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖3a）可知，兩種松索順序的豎向松索線形的規(guī)律基本吻合。此外，當(dāng)采用兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索時(shí)，3#、4#和7#節(jié)段的松索線形相差較大，與前者相比，采用兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索更為接近目標(biāo)線形。其中，兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索和兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索的松索線形與目標(biāo)線形的最大偏差值分別為19.62 mm和10.75 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的控制值50.00 mm［9］。由此可見，與兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索相比，兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索對(duì)豎向松索的線形效果較好。

由圖3b）可知，兩種松索順序下的橫向線形偏差均較小。其中，采用兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索的橫向線形偏差均＜5 mm，且采用兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索的橫向線形偏差均＜4 mm，說(shuō)明不同松索順序?qū)M向線形偏差無(wú)顯著影響。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)鋼管混凝土拱橋的三維空間結(jié)構(gòu)模型以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，旨在評(píng)估不同松索順序?qū)皹蚪Y(jié)構(gòu)性能的影響，并通過(guò)對(duì)比分析選出最優(yōu)松索方案。得出結(jié)論如下：

1）當(dāng)扣索松索達(dá)到索力峰值的50%時(shí)，兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索和兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索均會(huì)產(chǎn)生較為危險(xiǎn)的單次過(guò)程變形量，而當(dāng)扣索松索介于10%～30%時(shí)，單次松索過(guò)程變形量均在安全合理范圍內(nèi)。

2）兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索和兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索的豎向線形偏差分別為19.62 mm和10.75 mm，橫向線形偏差分別為5 mm和4 mm，說(shuō)明松索順序?qū)ωQ向線形影響較大，而對(duì)橫向線形影響不明顯。

3）與兩岸對(duì)稱逐級(jí)松索相比，在保持松索值不變的情況下，兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索的松索過(guò)程應(yīng)力和目標(biāo)線形偏差均較小。說(shuō)明在保證施工進(jìn)度的同時(shí)，兩岸對(duì)稱跨級(jí)松索順序更有利于保障施工安全。

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基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“特大跨勁性骨架混凝土拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)”編號(hào)：桂科AB22036007）

作者簡(jiǎn)介：李貴漢1990—），工程師，主要從事大跨橋梁施工技術(shù)研發(fā)與管理工作。

收稿日期：2024-05-18