基于有限元正裝迭代懸拼拱橋合理施工索力優化

朱華棟，卓小麗

(1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 414600；2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530000)

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橋梁工程

基于有限元正裝迭代懸拼拱橋合理施工索力優化

朱華棟1，卓小麗2

(1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 414600；2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530000)

結合貴州龍場渡槽對千斤頂斜拉扣掛法施工中合理施工索力的計算進行研究，提出以扣塔偏位和拱圈應力為優化目標的優化思想，采用有限元分析軟件對施工過程正裝模擬，通過正裝迭代得到合理施工索力，為類似工程提供索力計算依據。

斜拉扣掛；合理施工索力；有限元；正裝迭代；索力優化

1 工程背景

龍場渡槽為單跨拱式渡槽，主拱圈為單箱雙室鋼筋混凝土箱形拱，凈跨徑200 m，凈矢高f0=40 m，矢跨比1/5。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=2.240。拱箱為變截面，拱寬從12 m漸變為5.5 m，箱高3.5 m。

拱圈0#節段采用貝雷架反拉現澆方案，1#～13#節段采用預制吊裝，拱頂設勁性骨架合龍段。每安裝完成一個節段，立即澆筑當前節段與上一節段間的接縫，待接頭混凝土達到85%以上設計強度時，方可吊裝下一節段。主拱圈采用整體分段預制和懸臂(纜索吊裝配合斜拉扣掛工藝)安裝方案，縱向分為26段預制吊裝，為方便預制施工和吊裝安全，橫向兩箱整體預制。預制段的縱向通過榫頭搭接相連，每安裝1節段后，將前面節段接頭的現澆砼澆筑完畢，增加拱圈的整體剛度與接頭的強度，保證施工安全。

2 施工索力初步計算

根據實際施工方案，采取兩次張拉工藝，基于接頭的特殊性，提出“一張平衡自重，二張調節內力的”原則。指導施工索力計算。初步計算施工索力。

基于計算結果，采用結構分析專用軟件MIDAS CIVIL 2012對施工過程進行正裝模擬。

根據模擬結果可得到拱圈應力包絡圖、拱圈變形包絡圖，結果如下。

根據圖1至圖2可知，初步計算索力作用下拱圈上緣最大拉應力為1.8 MPa，最大壓應力8 MPa，而拱圈下緣最大拉應力達到了5 MPa，遠遠超過C55混凝土抗裂要求的1.92 MPa，截面應力過大，無法滿足設計要求。故需對初步計算結果進行正裝迭代優化。

圖 1 初步計算索力作用下拱圈截面上緣應力包絡圖

圖 2 初步計算索力作用下拱圈截面下緣應力包絡圖

3 施工索力優化

3.1 優化目標

基于初步計算結果，以拉索安全系數，拱圈截面應力，扣塔塔偏滿足要求為優化目標，對扣索索力進行修正。最終迭代結果要求在保證拉索安全系數足夠的情況下，施工過程中的拱圈截面應力和扣塔塔偏均收斂，經過多次迭代，優化結果如下。

3.2 優化結果

根據各工況優化結果可得到拱圈應力包絡圖、拱圈變形包絡圖及鋼扣塔偏位包絡圖，結果如下：根據圖3至圖5可知，正裝迭代優化后索力作用下拱圈上緣最大拉應力為0.8 MPa，最大壓應力3.5 MPa，拱圈下緣最大拉應力減小至0.5 MPa，滿足混凝土抗裂要求的1.92 MPa。同時，鋼扣塔在該組索力作用下最大變形減小至21 mm，滿足規范要求。故該組索力可在二次張拉工藝中實現拱圈應力、索力及扣塔偏位多目標控制。

圖 3 優化索力后拱圈截面上緣應力包絡圖

4 結 論

千斤頂斜拉扣掛工藝實現多次張拉較便利，基于該工藝提出“一張平衡節段自重，二張調節拱圈應力”的索力控制原則。以該原則為索力優化思想，將拱圈應力、扣塔偏位作為優化目標，建立有限元施工過程模型，對索力進行正裝迭代優化，得到最終合理施工索力，指導施工。龍場渡槽順利成拱驗證了該法的可行性。

圖 4 優化索力后拱圈截面下緣應力包絡圖

圖 5 優化索力后鋼扣塔偏位包絡圖

[1] 周水興,蔡凈,熊洪濱.定長扣索法安裝拱析架一竹段控制索力計算[J].工程力學，2001.

[2] 周水興.浙江三門健跳大橋拱肋安裝與施工控制計算[J].重慶交通學院學報，2002.

2016-04-12

朱華棟(1991-)，男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：橋梁施工控制。

U442

C

1008-3383(2016)08-0069-01