鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛合理施工順序研究

汪元鋒

(湖南交通國際經濟工程合作公司，湖南長沙 410011)

0 引言

橋梁的建設過程包括橋梁設計和施工。橋梁在施工過程中會存在一些問題，其中比較關鍵的一些問題包括施工安全問題，橋梁施工能否保證實現橋梁的設計成橋狀態的問題以及橋梁施工過程中的誤差控制，如何根據誤差對施工過程進行調整等等。因為上述問題的存在，所以我們要對橋梁的施工過程進行前期計算，以此來確定橋梁的合理施工順序和關鍵的工程控制量，以此保證施工安全和設計的成橋狀態的實現。

拱橋的節段施工常采用無支架纜索吊裝法，后來又發展出千斤頂鋼絞線斜拉扣掛法。采用千斤頂斜拉扣掛技術進行施工，在整個懸拼架設的過程中，每扣掛一段即與上段固結，克服了傳統卷揚機滑輪組合龍技術中多鉸穩定性差的缺陷，并使拱橋的合龍難度與分段多少無關。但由于施工過程中，拱肋間采用固定連接，扣索索力不宜經常調整，為確保拱肋的合龍精度，每段拱肋吊裝施工前，都應預先確定拱橋的施工狀態，確定合乎實際的吊點標高的預抬高值和扣索索力。

目前大跨度鋼管混凝土拱橋普遍采用無支架纜索吊裝斜拉扣掛方法進行施工，施工過程中扣索索力和預抬高量的計算以及合理的吊裝順序的確定已成為施工單位和施工控制的一個重要內容。一般而言根據工程經驗確定一個施工順序，在這個基礎上確定合理的工程控制量。鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛施工方法中的控制量則為扣索合理初始張力值以及拱肋的預抬高量。以往采用的計算方法通常有力矩平衡原理［1］和零彎矩法［2］計算纜索吊裝過程中的扣索索力，但是這種方法基于手工計算，計算精度低，所以只用于5段以內拱肋節段吊裝索力的計算。然而近年來已建和在建的鋼管混凝土拱橋跨徑通常都在200 m以上，拱肋節段較多，所以常規的索力計算方法已很難適用。針對這一情況，許多專家和學者提出了各種不同的索力計算方法［3－6］。然而，上述幾種計算方法，只能單獨計算索力，不能計算拱肋的預抬高量，所以都有一定的使用范圍。

針對大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程中采用邊安裝邊焊接的施工特點，本文采用基于正裝分析的有限元法能方便有效地確定施工過程中的扣索索力和預抬高量。該方法的具體思想是計算當前扣索索力時，把當前扣索模擬為剛度無窮大的桿單元，而對已施工節段的扣索模擬為實際剛度的桿單元，已施工的拱肋節段考慮為彈性體。利用本文方法可以解決斜拉扣掛施工過程中扣索索力和預抬高量的計算問題，而且按本文方法計算的扣索索力和預抬高量進行施工，除了初始張拉索力外，施工過程中不需要再調整索力。

1 初定施工順序的扣鎖合理初張力和預臺量的計算方法

1.1 基本假設

1)主拱圈合龍前拱腳處設為鉸接;2)扣索與塔架為剛性連接，且塔架無位移。

1.2 結構計算模型和基本計算思路

文獻［2］中提出，施工過程中計算的關鍵是扣索初始張拉力的確定。扣索初始張拉力確定的基本原則:①初始張拉力不能超過扣索容許值，對預應力鋼絞線，扣索容許索力一般取其40%破斷力作為其容許值，即有2.5倍的安全系數;②以吊裝張拉本節段，使本節段扣索處的伸長量接近零時的扣索索力作為該扣索的初始張拉力。由于扣索索力由吊裝本節段時的初始張拉力和后續節段吊裝時產生的索力增量兩部分組成，因此，必須采用仿真施工過程計算，將計算所得的索力增量與扣索索力值相加，作為下一個階段吊裝時該扣索的總索力值，反復計算，就可以計算出合龍時各索的索力值。

橋梁施工過程計算中，倒拆法和正裝迭代法是確定拱橋合理施工狀態的兩個主要方法。倒拆法以成橋理想狀態為初始狀態，按實際施工相逆的步驟，逐步拆去每一個施工項對結構的影響，從而確定結構在施工各階段的狀態參數。該方法在拆除合龍段時，常有不平衡桿端力的影響;另外由于結構的非線性效應，也增加了倒拆法的計算誤差;當施工步驟比較復雜時，該方法幾乎難以求得精確的解。正裝迭代法采用大循環的順裝分析來確定橋梁的合理施工狀態。其計算特點是:它先給各設計變量一個初始的假定值，然后嚴格遵循實際的施工順序，一步一步進行結構分析;根據計算結果來修正初始設計變量的值以便重新迭代計算，直到目標函數達到滿意的計算精度為止。本文結合文獻［2］中提出的扣鎖初張力和預臺量計算方法和結構施工過程的正裝迭代計算思路確定施工過程中的扣鎖的合理初張力，并且運用成橋狀態的計算數據進行驗證，說明本方法的合理性。

鋼管拱肋在吊裝階段實際是一個多點彈性支承曲梁，因此，索力計算需采用空間程序仿真計算。本文采用大型通用有限元程序ANSYS進行計算，計算時拱肋采用空間直梁單元來模擬，扣索用桿單元來模擬。根據鋼管混凝土拱橋結構的對稱性，取其半邊拱肋結構進行分析。

2 工程結構概況及合理施工順序模擬思路

張家界張花高速公路某鋼管混凝土拱橋起點樁號為 k85+054.860，終點樁號為 k85+633.140，橋跨布置為:5×30 m T梁+252 m(凈跨徑)上承式鋼管混凝土拱橋+5×30 m T梁，全長578.28 m。主橋主拱圈為整體式結構，由兩條拱軸組成，拱肋為等截面四管全桁式結構。主拱肋計算跨徑L=255 m，計算矢高f=46.364 m，矢跨比為 1/5.5，設計拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.65。拱上建筑采用空腹梁式拱上建筑，橋面系左右幅分離，行車道板采用14×19.43 m橋面連續簡支小箱梁。

主拱施工采用無支架纜索吊裝系統分段吊裝就位、斜拉扣掛定位的方式合龍形成空鋼管拱肋，拱肋節段施工過程中，然后在主管內灌入混凝土形成鋼管混凝土承重結構，再施工拱上建筑成橋。

根據施工實際情形，節段與節段之間先采用鉸接模擬，在全橋合龍之后改為鉸接，這樣模擬主要是考慮在施工過程中拱肋的線形在不斷地變化過程中，直接剛接的話，對于超靜定結構這種變化會產生內力。施工中的實際情形為節段間接頭及合龍段在吊裝階段通過上、下弦桿內設置的內法蘭臨時栓接，待拱肋合龍并調整拱軸線線性后再將接頭鋼管焊接;此外，拱腳處在合龍之后進行封鉸，形成固端。

根據施工方案，纜索吊裝系統按大橋走向布設，主跨徑488 m，張家界岸后錨碇跨徑為145 m，花垣岸后錨碇跨徑為100 m。張家界岸塔頂比花垣岸塔頂高15 m。纜索吊機由吊裝系統、穩定系統組成，全橋共設兩套吊裝系統、4個吊具，單套起重量70 t。吊裝系統由吊塔、吊錨及吊裝索纜等構成，穩定系統由平衡索、抗風索等構成。

斜拉扣掛系統由拱肋錨固點、扣塔、扣索、塔頂張拉扣點、錨索和錨索地錨等六大部份組成?？鬯韶惱灼囱b組成，張家界岸扣塔布置在5號過渡墩上，高12 m，花垣岸扣塔布置在6號過渡墩上，高9 m。扣索一端固定于主拱肋端的錨固點，另一端在扣塔塔頂張拉扣點上張拉、調整。錨索一端固定于地錨端的錨固點，另一端在扣塔塔頂張拉扣點上張拉、調整?？鬯蓚葘目鬯骷板^索的張拉及調整應分級同步張拉?？鬯?、錨索均采用Φ 15.24低松弛高強度鋼鉸線。

具體施工加載程序如下:

1)吊裝準備。分層澆筑拱座、過渡墩，預埋拱腳預埋件;拼裝吊、扣塔，施工吊、扣錨碇，架設纜索，試吊。

2)鋼管吊裝。吊裝拱肋第1段，拱腳臨時鉸接，張拉1#扣索→吊裝拱肋第2段，與前一段間用內法蘭栓接，張拉2#扣索，安裝7#橫撐→吊裝拱肋第3段，與前一段間用內法蘭栓接，張拉3#扣索，安裝6#橫撐→吊裝拱肋第4段，與前一段間用內法蘭栓接，張拉4#扣索→吊裝拱肋第5段，與前一段間用內法蘭栓接，張拉5#扣索，安裝5#橫撐→吊裝拱肋第6段，與前一段間用內法蘭栓接，張拉6#扣索，安裝4#橫撐→吊裝拱肋第7段，與前一段間用內法蘭栓接，張拉7#扣索，安裝3#橫撐→吊裝拱肋第8a段(張家界岸)及第8b段(花垣岸)，與前一段間用內法蘭栓接，張拉8#扣索→安裝合龍段(內法蘭栓接)，安裝2#、1#橫撐→根據需要調整扣索索力，以拱肋加工線形為目標校核高程，從拱頂向拱腳依次對稱焊接合龍段及各節段接頭(先擰緊螺栓再施焊)→拱腳上、下弦管端頭與拱座預埋管焊接，澆注封鉸混凝土，形成無鉸拱。

3)松扣、灌裝管內混凝土。從跨中8#扣索向兩岸1#扣索對稱分5級(每級放1/5)依次放松，共5個循環完成松扣，但不拆除。泵送主管混凝土，灌裝順序為:下弦外側主管→下弦內側主管→上弦外側主管→上弦內側主管，要求對稱同步進行，管內混凝土達到80%后方能灌裝下一組鋼管。最后一根主管內混凝土強度達到90%后，拆除扣索。

4)拱上建筑施工。從兩岸向拱頂對稱吊裝拱上立柱→從兩岸向拱頂對稱灌裝立柱鋼管混凝土→從兩岸向拱頂對稱吊裝蓋梁→安裝小箱梁，安裝順序為:從兩岸向拱頂對稱依次安裝3跨，然后安裝拱頂附近的兩跨，最后從兩岸向拱頂對稱安裝其余3跨→從兩岸向拱頂對稱現澆小箱梁橫向濕接縫，調平層、防撞欄桿→從一側向另一側單邊推進施工橋面鋪裝。

3 各個關鍵施工工況下鋼管截面的應力及位移計算結果

3.1 扣索拆除后拱肋各點應力及變形結果

扣索拆除后上下弦桿鋼管各點的最大應力(鋼管初應力)和相應時刻的變形結果如圖1、圖2所示。

圖1 扣索拆除后上下弦桿鋼管各點的最大應力

圖2 扣索拆除后上下弦桿鋼管各點變形結果

3.2 灌筑完混凝土后應力及變形結果

該時刻的鋼管截面應力結果和該時刻拱肋四分點處的位移值如圖3、圖4所示。

圖3 灌筑完混凝土后鋼管截面應力結果

圖4 灌筑完混凝土后鋼管節點豎向位移

3.3 成橋時刻應力及變形結果

該時刻的鋼管截面應力結果和該時刻拱肋四分點處的位移值如圖5、圖6所示。

3.4 10 a徐變后應力及變形結果

該時刻的鋼管截面應力結果和該時刻拱肋四分點處的位移值如圖7、圖8所示。

圖5 成橋時刻鋼管截面應力

圖6 成橋時鋼管豎向位移

圖7 考慮10 a徐變鋼管截面應力

圖8 考慮10 a徐變鋼管節點豎向位移

4 結語

1)上述數據與實測數據基本吻合。根據上述各圖顯示結果可看出，以合理成橋狀態為目標在本文提出的施工順序的基礎上，根據本文提出的扣鎖索力和預提量的確定方法得到的扣鎖初始張拉力和預提量是合理的，能保證合理成橋狀態的實現。由此可見本文提出的施工順序即為一種合理的施工順序可供施工單位參考選用。

2)本文采用應力疊加法對鋼管混凝土拱橋的施工過程進行受力分析。應力疊加法是考慮主拱肋在形成的過程中，各個節段的截面特性及荷載情況而分別計算其內力，然后在截面相應纖維處疊加起來。施工節段的計算按照彈性理論進行。對施工過程采用容許應力法對結構應力進行強度控制。該計算結果能很好地用于施工監控工作當中，達到了計算目的。

3)大跨度鋼管混凝土拱橋節段施工過程中扣索索力和預抬高量的確定是保證施工質量和安全的重要措施，本文提出的有限元方法能方便有效地解決扣索索力和預抬高量的計算問題，而且按本文方法計算的索力和預抬高量進行施工，除初始張拉扣索外，施工過程中不需要再調整索力，因此能夠減少施工量，縮短工期。

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