大跨鋼管混凝土拱橋節(jié)段接頭結(jié)構(gòu)性影響因素研究

文章采用桿系模型模擬大跨鋼管混凝土拱橋拱肋斜拉扣掛施工過程，討論拱肋節(jié)段接頭的受力過程，對(duì)其結(jié)構(gòu)影響參數(shù)進(jìn)行分析，包括調(diào)索目標(biāo)、封拱腳時(shí)機(jī)和焊接時(shí)機(jī)等，得到各參數(shù)對(duì)拱肋接頭的影響規(guī)律。結(jié)果表明：封拱腳時(shí)機(jī)對(duì)拱肋節(jié)段接頭影響較大，其中對(duì)上弦管接頭的影響比下弦管的影響大；節(jié)段吊裝就位后合理選擇接頭焊接時(shí)機(jī)，可以大大減小接頭所受軸力，降低安全風(fēng)險(xiǎn)；其他因素對(duì)節(jié)段接頭受力影響較小。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；節(jié)段接頭；斜拉扣掛；封拱腳時(shí)機(jī)；接頭焊接

中圖分類號(hào)：U448.22

0 引言

近幾年來，隨著拱橋跨越能力不斷增強(qiáng)，斜拉扣掛無支架施工系統(tǒng)的應(yīng)用愈加廣泛［1-4］。拱肋的架設(shè)過程主要分為拱肋節(jié)段起吊就位、連接拱肋節(jié)段接頭、體系轉(zhuǎn)換。具體而言，通過纜索吊裝系統(tǒng)，將拱肋節(jié)段吊裝就位，并與前一段拱肋或拱腳預(yù)埋件的吊裝接頭連接；張拉相應(yīng)節(jié)段的扣索和背索，同時(shí)緩慢放下纜索系統(tǒng)的吊索，直到扣索和背索索力與拱肋線形皆達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，完成吊裝體系向斜拉扣掛體系的轉(zhuǎn)換。在500 m級(jí)平南三橋和600 m級(jí)天峨龍灘特大橋建設(shè)過程中，大跨拱橋的鋼桁拱肋可以每天完成至少一個(gè)拱肋節(jié)段吊裝。高效的施工組織對(duì)節(jié)段接頭的臨時(shí)連接強(qiáng)度和施工的便利性提出了更高要求［5-6］。本文將分析斜拉扣掛施工過程中，整體結(jié)構(gòu)對(duì)拱肋節(jié)段接頭受力的影響，為設(shè)計(jì)安全、簡(jiǎn)單的接頭形式提供參考。

1 計(jì)算模型

圖1所示為一跨徑為500 m級(jí)鋼管混凝土拱肋的斜拉扣掛計(jì)算示意圖。計(jì)算跨徑為508 m，計(jì)算矢高為123.25 m。全橋?yàn)樯舷掠蝺筛袄?，單根拱肋為四管桁式截面。弦管直徑?.3 m，壁厚為22～34 mm，腹管為0.63 m，壁厚為14 mm。拱肋分為9個(gè)吊裝節(jié)段。為便于施工，節(jié)段間設(shè)計(jì)為雙腹桿，雙腹桿間的弦管處設(shè)置吊裝接頭。

結(jié)構(gòu)分析采用桿系有限元模型模擬，其中拱肋弦管、腹管、平聯(lián)管和肋間橫聯(lián)等采用梁?jiǎn)卧?，扣索采用桿單元模擬。為突出主要因素，以下分析忽略扣塔和背索的協(xié)同作用。斜拉扣掛主要參數(shù)如表1所示。

2 施工過程接頭受力特征

2.1 軸力變化

圖2、圖3所示為節(jié)段間各接頭軸力隨施工過程推移的變化情況。可以看到，節(jié)段接頭的受力特點(diǎn)十分復(fù)雜，

對(duì)于上弦管而言，隨拱肋懸臂的增長(zhǎng)，靠近拱腳處的節(jié)段接頭軸壓力逐漸增大，但對(duì)于下弦管，軸壓力沿縱橋向分布不是單調(diào)的，隨節(jié)段吊裝過程也不是單調(diào)增加的變化。由圖2、圖3可知，節(jié)段接頭不僅承受軸壓力，還承受一定的軸拉力。接頭受拉的階段可能是相應(yīng)拱肋節(jié)段吊裝到位、張拉扣索的施工階段（如下弦管節(jié)段接頭），也可能是其他拱肋節(jié)段的吊裝階段，如上弦管5#～7#接頭在吊裝拱肋8#、9#段時(shí)，出現(xiàn)了拉力。但這樣的拉力相對(duì)壓力往往不大，一般會(huì)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。拉壓受力量級(jí)的不同，也決定了節(jié)段接頭局部構(gòu)造抗拉、抗壓設(shè)計(jì)思路的不同。

軸力曲線的另一特征是，松扣索的施工過程會(huì)使拱肋整體受力重分布，同時(shí)節(jié)段接頭的軸力也會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化，這樣的變化規(guī)律性較弱，但變化幅度大。一般的鋼管混凝土拱橋在拱肋吊裝過程中，都會(huì)選擇在松扣索之前，將臨時(shí)接頭構(gòu)造通過焊接成與弦管等強(qiáng)連接，或加固為超強(qiáng)連接。因此，松索過程一般不會(huì)控制節(jié)段接頭的設(shè)計(jì)。但若將節(jié)段接頭作為永久構(gòu)件來設(shè)計(jì)，則需考慮松扣索之后的施工狀態(tài)受力和施工要求，特別是管內(nèi)混凝土灌注時(shí)的密封性問題。

2.2 彎矩變化

圖4、圖5所示為節(jié)段接頭的彎矩隨施工過程變化的情況。與軸力類似，節(jié)段接頭彎矩的大小隨著施工過程呈現(xiàn)非線性變化的特征。但節(jié)段接頭所受的彎矩并不大，若以弦管截面的面積和慣性矩考慮，彎矩產(chǎn)生的最大正應(yīng)力僅為軸力產(chǎn)生的最大正應(yīng)力的10%左右。節(jié)段接頭彎矩較小的原因主要有兩方面：

（1）桁式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)使上下弦管受力狀態(tài)趨近于軸心受力構(gòu)件，單根管的彎矩值較小。事實(shí)上，也正是上下弦管的軸力差，形成了整個(gè)桁式結(jié)構(gòu)的彎矩受力狀態(tài)。

（2）本項(xiàng)目在節(jié)段接頭處，采用了雙腹管的設(shè)計(jì)方式，雙腹管間距小，使得腹管間弦管的自重小，由此產(chǎn)生的剪力和彎矩也小。并且接頭處于雙腹管的中部，靠近反彎點(diǎn)處，所以，節(jié)段接頭彎矩不大。

從計(jì)算結(jié)果來看，節(jié)段接頭的受力和設(shè)計(jì)以松扣索前的軸心受壓狀態(tài)為主，因此以下討論主要考慮松扣索前的軸壓力情況。

3 結(jié)構(gòu)性參數(shù)分析

以下分析討論調(diào)索目標(biāo)、封拱腳時(shí)機(jī)和焊接時(shí)機(jī)等結(jié)構(gòu)因素對(duì)節(jié)段接頭受力和設(shè)計(jì)的影響。

3.1 調(diào)索目標(biāo)選擇

斜拉扣掛的調(diào)索目標(biāo)是指在斜拉扣掛階段，通過調(diào)整扣索索力，使最終在松扣索狀態(tài)達(dá)到拱肋的最終線形。該線形可以是“一次成拱的線形”，也可以是“安裝線形”。兩種選擇并沒有本質(zhì)區(qū)別，對(duì)于大跨拱橋而言，成拱以后的線形差異，對(duì)拱肋運(yùn)營(yíng)階段的承載能力極限狀態(tài)或標(biāo)準(zhǔn)組合狀態(tài)的內(nèi)力、應(yīng)力影響較??；從調(diào)索結(jié)果來看，兩種目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算得到的扣索索力差別并不顯著，就本例而言，在吊裝1#～8#拱肋節(jié)段時(shí)，扣索初張力的差別＜5%，僅在吊裝9#節(jié)段時(shí)，索力差別為17%左右。雖然對(duì)成橋以后的拱肋受力影響較小，但對(duì)施工過程的節(jié)段接頭受力影響較大。

圖6所示為不同調(diào)索目標(biāo)時(shí)，拱肋節(jié)段接頭在松扣索前，施工階段所承受的最大壓力包絡(luò)曲線。若以安裝線形為目標(biāo)時(shí)，拱肋大部分位置，特別是靠跨中部分的線形需要通過扣索上抬，使近似懸臂狀態(tài)的拱肋截面受正彎矩作用，削弱負(fù)彎矩效應(yīng)，并且越靠近拱腳，作用越明顯；對(duì)于桁式結(jié)構(gòu)，就會(huì)形成上弦管軸壓力增大，下弦管軸壓力減小的現(xiàn)象。但這樣的變化，不會(huì)明顯改變節(jié)段接頭出現(xiàn)最大軸壓力的時(shí)機(jī)。

3.2 封拱腳時(shí)機(jī)

封拱腳的時(shí)機(jī)對(duì)拱肋節(jié)段接頭的影響很大［7］。下頁(yè)圖7、圖8所示為在不同施工階段封拱腳時(shí)，拱肋節(jié)段接頭在松扣索前，施工階段所承受的最大壓力包絡(luò)曲線?？梢钥吹?，上弦管接頭軸力對(duì)封拱腳時(shí)機(jī)十分敏感，特別是靠近拱腳的位置，越早封拱腳，上弦管接頭的軸壓力越大，而靠近拱頂?shù)奈恢脛t影響較小。可以這樣理解，拱腳固結(jié)狀態(tài)越早形成，拱肋控制點(diǎn)的豎向位移越難控制，特別是在拱肋懸臂不長(zhǎng)時(shí)，結(jié)構(gòu)整體剛度大，需要較大的索力才能提起懸臂控制點(diǎn)，這使拱腳附近截面產(chǎn)生較大負(fù)彎矩，從而使弦管產(chǎn)生較大的軸力差，因此本就受到較大軸壓力的拱腳上弦管軸壓力進(jìn)一步增大。然而，對(duì)于下弦管節(jié)段接頭，雖然也出現(xiàn)了隨封拱腳時(shí)機(jī)的推移，靠近拱腳部分的接頭軸壓力增大、靠近拱頂部分的接頭變化較小的現(xiàn)象，但是由于在扣掛體系下，拱肋在拱腳部分的總彎矩以正彎矩為主，由此產(chǎn)生的下弦管接頭軸壓力較小。因此，總體來看，下弦管軸接頭軸壓力對(duì)封拱腳時(shí)機(jī)的選擇沒有上弦管接頭敏感，但仍然較為顯著。

3.3 弦管焊接時(shí)機(jī)

弦管焊接的時(shí)機(jī)對(duì)節(jié)段接頭受力起到至關(guān)重要的作用。如果每吊裝一段，就焊接一段，節(jié)段接頭受力最小，且臨時(shí)連接的受力時(shí)間最小，接頭很快轉(zhuǎn)化為與弦管等強(qiáng)的承載能力。但這樣纜索系統(tǒng)的作業(yè)效率最小，不適用于大跨拱橋施工。在結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性皆能滿足時(shí)，采用合龍后焊接全部的拱肋接頭方案，則拱肋接頭的臨時(shí)構(gòu)造需要承受吊裝階段可能承受的最大內(nèi)力，這將大幅提高拱肋接頭的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，造成一定的浪費(fèi)。

圖9、圖10所示為吊裝n個(gè)節(jié)段焊接一次時(shí)，拱肋節(jié)段臨時(shí)接頭在施工階段所承受的最大壓力包絡(luò)曲線?？梢钥吹?，當(dāng)?shù)跹b1#～3#段拱肋，焊接一次弦管接頭時(shí)，上弦管接頭的軸壓力可以控制在＜2 000 kN，下弦管接頭的軸壓力可以控制在＜500 kN，小于吊裝完成再焊接的情況。對(duì)于上弦管離拱腳較近的接頭，以及下弦管靠近1/4跨附近的接頭，受力改善明顯，特別是下弦管，大多處于較低受力水平。當(dāng)增加焊接一次時(shí)的吊裝節(jié)段時(shí)，接頭的軸壓力會(huì)進(jìn)一步增加。如表2所示為吊裝n個(gè)節(jié)段焊接一次時(shí)，各接頭所需承受的最大軸壓力，以及相對(duì)于吊完再焊接的施工方案的最大軸壓力之比。

結(jié)合施工組織來看，吊裝2段焊接1次的方案不僅有利于提高施工效率，節(jié)段接頭的受力最小，為最優(yōu)推薦方案；吊裝3段或4段再焊接1次的方案次之。而吊裝5段焊接1次時(shí)，節(jié)段接頭受力明顯提高，需加強(qiáng)局部構(gòu)造設(shè)計(jì)，提高接頭的承載能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元桿系模型，模擬了500 m級(jí)鋼管混凝土拱橋拱肋節(jié)段斜拉扣掛施工過程，分析討論了弦管接頭受力的變化情況，并對(duì)比計(jì)算了結(jié)構(gòu)性參數(shù)的影響。主要結(jié)論如下：

（1）拱肋節(jié)段扣掛過程中，節(jié)段接頭的受力不完全是單調(diào)增加的規(guī)律，接頭內(nèi)力最大值可能出現(xiàn)在吊裝過程中。

（2）節(jié)段接頭有可能出現(xiàn)受拉情況，但拉力量級(jí)較小。因此，節(jié)段接頭局部構(gòu)造的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)宜采用不同的思路。

（3）節(jié)段接頭所受彎矩較小，局部以軸心受力形態(tài)為主。

（4）調(diào)索目標(biāo)的選擇對(duì)弦管節(jié)段接頭的軸力影響較小，不會(huì)給接頭局部構(gòu)造設(shè)計(jì)帶來過大改變。

（5）封拱腳時(shí)機(jī)對(duì)弦管節(jié)段接頭的影響十分顯著，過早封拱腳會(huì)增加靠近拱腳附近的桁架截面的負(fù)彎矩，從而增加上弦管節(jié)段接頭的軸壓力，還會(huì)使下弦管接頭受較大拉力。

（6）弦管接頭焊接時(shí)機(jī)對(duì)接頭設(shè)計(jì)影響較大，在合理考慮施工組織和進(jìn)度的前提下，宜盡早焊接節(jié)段接頭管件，加強(qiáng)接頭構(gòu)造連接。

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