拱腳封鉸時機對纜索吊裝施工拱橋的受力影響分析

牟 開

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

纜索吊裝系統具有跨越能力大、水平和垂直運輸機動靈活、適應性廣等優點，目前已被廣泛用于大跨度拱橋無支架施工[2]中。隨著我國高速公路的迅速發展，許多跨江跨河跨峽谷的拱橋都在向大跨度、超大跨度挑戰，出現了滿足施工需要的矢跨比較高、吊裝節段多、吊裝重量大的大型纜索裝結構體系。大跨徑拱橋采用纜索吊裝施工成敗的關鍵在于對拱腳鉸軸的處理，即拱腳封鉸時機的選擇；拱腳封鉸是拱橋纜索吊裝施工過程中重要的體系轉換過程，直接關系到施工過程及成橋后結構的線形和內力[3]，因此對拱腳封鉸時機進行研究具有重要意義。

1 工程概況

依托工程主橋采用中承式有推力鋼管混凝土拱橋結構，橋跨布置：2×16 m預制空心板+跨徑258 m鋼管混凝土拱+2×16 m預制空心板；主橋拱肋與橋道系相交部位橋梁全寬：2.75 m（拱肋）+0.075 m+0.5 m（護欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護欄）+0.075 m+2.75 m（拱肋），為方便檢修，在吊桿范圍內橋道系兩側各增設1 m寬檢修通道。引橋部分，單幅橋面橫向布置為：0.5 m（護欄）+16 m（行車道）+0.5 m（護欄）=17 m。主橋拱圈采用雙片式拱肋，拱上通過拱上立柱和吊桿連接橋面系，行車道板采用縱向“T”梁，橫梁采用預制大型預應力混凝土梁，縱橫交錯形成全橋連續的正交梁格體系。

圖1 橋型布置圖

主橋計算跨徑242 m，計算矢高比1/4，拱軸線為m=1.5的懸鏈線。拱肋為鋼管混凝土桁架結構，上、下弦桿斷面為平放的啞鈴型，拱肋總高為5.36 m，總寬為2.76 m。圓管外徑為960 mm，除拱腳埋設段及第2、第3吊裝段壁厚為18 mm外，其余拱肋壁厚為16 mm。水平兩鋼管間凈距2.0 m，圓管之間設平聯板連成一體，平聯板為厚度14 mm。圖1為該橋橋型布置圖。

拱座混凝土靠近拱腳面二次澆筑部分為C40混凝土，其余為C30混凝土。單個拱座需預埋16根長為1.8 mφ299×10 m的鋼管及拱腳鉸鋼筋加強網片等。鋼管的預埋位置要求準確，鋼管預埋位置的準確性是拱肋能否合攏的必要條件。封鉸塊四周腳手架采用門式支架，內部操作平臺及模板定位架采用型鋼。鋼筋分兩次安裝，每次7 m。模板采用大塊組合鋼模加定型鋼模。

2 施工階段描述

2.1 拱肋吊裝節段劃分

鋼管混凝土拱橋采用纜索吊裝施工時，根據現場起吊條件及起吊纜索機械的實際情況，主拱肋需劃分為多個吊裝節段，化整為零進行吊裝；具體分段根據纜索吊的最大吊裝噸位和施工工期等多方面進行考慮，依托工程鋼管混凝土拱橋主拱肋共劃分為6大吊裝節段（半拱肋），具體吊裝單元劃分見圖2，表1為各吊裝段的詳細參數。

圖2 拱肋吊裝單元劃分

表1 拱肋吊裝單元詳細參數表

2.2 施工階段

依托工程拱肋施工主要施工步驟如表2所示。

表2 拱肋施工主要步驟

鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工多跨越溝谷、江河，施工場地一般受到限制，為了對拱肋吊裝段仰角進行調整定位，通過簡易牽引裝置逐步調整第1段拱腳端鉸軸位置，使其與預埋的拱座鉸鉸接上，調整好仰角后張拉扣索定位，第1段拱肋吊裝段定位完成后，后續施工過程中封鉸時間不同，主拱肋的線形、拱腳鋼管應力等均有較大差異，依托工程擬定了5種不同的封鉸方案，描述如下：

a）方案一 步驟CS1吊裝第1段拱肋封鉸。

b）方案二 步驟CS6吊裝第4段拱肋前澆筑拱腳封鉸混凝土。

c）方案三 步驟CS12主拱肋合攏后，扣索釋放前封鉸。

d）方案四 步驟CS13主拱肋扣索釋放后，灌注混凝土之前封鉸。

e）方案五 步驟CS15主拱肋灌注混凝土后封鉸。

3 封鉸方案分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/CIVIL（V8.2.1）結構分析程序對拱肋纜索吊裝施工階段狀態進行分析計算，根據設計圖紙，建立該橋空間計算模型[4]，其中鋼管采用梁單元模擬，扣索采用桁架單元模擬，鋼管及平聯混凝土灌注通過施工階段聯合截面實現。全橋共5 750個節點，共分6 282個單元，計算模型如圖3。

圖3 拱肋吊裝分析模型

3.2 拱肋變形分析

鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工過程中，通過張拉扣索，改變扣索的松緊程度來調整拱肋的安裝線形[5]，但拱肋線形的調整及控制均是以拱肋前端點作為控制點，如圖4所示，施工過程中根據吊裝段前端點i處安裝棱鏡，對拱肋標高進行跟蹤測量，且拱肋吊裝過程中，隨著拱肋節段不斷增加，拱肋線形會發生變化，即前端點i標高發生變化；施工過程中拱腳封鉸時間不一樣，后續施工節段對已施工拱肋的影響程度也會有差異，因此拱腳在施工過程中何時灌注混凝土封鉸對吊裝過程中拱肋線形控制有較大影響，圖5～圖10給出了前述5種封鉸方案下第i吊裝段拱肋前段點前端點i的累計變形。

圖4 拱肋吊裝分析模型

圖5 吊裝段1前端點變形

圖6 吊裝段2前端點變形

圖7 吊裝段3前端點變形

圖8 吊裝段4前端點變形

圖9 吊裝段5前端點變形

圖10 吊裝段6前端點變形

圖5～圖10為拱肋施工過程中（從吊裝第1段主拱肋到鋼管混凝土灌注完畢全過程），各吊裝段前端點累計變形。由圖可知，5種封鉸方案下各吊裝段均發生持續向下的豎向變形，其中吊裝段1、吊裝段2、吊裝段3的規律較類似，即方案一下產生的豎向變形最小，方案五下產生的豎向變形最大；吊裝段4、吊裝段5、吊裝段6的變形規律較類似，即方案四產生的豎向變形最大。對5種封鉸方案進行綜合比較，按方案三封鉸時，各吊裝段豎向變形均處于較小狀態，為理想方案。

3.3 拱腳應力分析

鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程中，隨著拱肋節段不斷增加，拱肋拱腳附近鋼管的應力會不斷，施工過程中拱腳封鉸時間不一樣，后續施工節段對已施工拱肋的影響程度也會有差異，因此拱腳在施工過程中何時封鉸對吊裝過程中拱腳附近鋼管的應力有較大影響，表3和表4給出了前述5種封鉸方案下拱腳附近上弦桿和下弦桿（如圖11所示）的應力變化值。圖12和圖13給出了拱腳上弦桿和拱腳下弦桿隨著施工階段的應力變化曲線。

圖11 拱肋吊裝分析模型

表3 拱肋吊裝分析模型（上弦桿）

表4 拱肋吊裝分析模型（下弦桿）

圖12 拱腳上弦桿應力

圖13 拱腳下弦桿應力

由表3可知，5種封鉸方案下拱腳附近上弦桿最大應力分別為 64.1 MPa、69.1 MPa、58.1 MPa 、34.5 MPa、94.2 MPa；由表 4 可知，5 種封鉸方案下拱腳附近下弦桿最大應力分別為109 MPa、102 MPa、111 MPa、133 MPa、85.1 MPa；由圖 12 和圖 13 可知，5種封鉸方案下拱腳附近上、下弦桿應力變化規律相反，即方案五上弦桿應力最大，而下弦桿應力最小，方案四上弦桿應力最小，而下弦桿應力最大，因此綜合考慮上、下弦桿的應力情況，方案三是較理想的封鉸方案。

4 結語

本文以某鋼管混凝土拱橋為工程依托，對纜索吊裝施工過程中，拱腳的封鉸方案進行了介紹，同時借助空間有限元模型對拱肋架設過程進行了模擬分析，對施工過程中采用5種不同封鉸方案時，拱肋各吊裝段控制點的施工累計變形進行了比較，同時對施工過程中拱腳附近截面上、下弦桿的應力變化進行分析，最后從控制拱肋前端點變形及拱腳應力的角度對5種封鉸方案進行綜合考慮，最后確定方案三作為理想的封鉸方案，本文的研究方法可供類似橋梁施工控制積累工程經驗和提供依據。