斜拉扣掛法吊裝大跨度鋼管拱橋過程中拱肋整體受力分析

曾子豪

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731)

目前斜拉扣掛法是大跨徑鋼管混凝土拱橋常用的施工方法之一，其具有吊裝速度快、合龍精度高等優(yōu)點。往往大跨徑的橋多為跨江、河橋梁，因此風速大。另外塔架為了滿足大跨徑吊裝高度需求，一般架設較高，斜拉扣掛系統(tǒng)整體的受力狀態(tài)及穩(wěn)定性就關系到整個項目建設。穩(wěn)定性分析和受力狀態(tài)可通過Midascivil模擬，而對于扣、錨索的模擬Midascivil中有索單元和桁架單元可供選擇，本文將通過實際計算來分析兩者差別，同時根據(jù)目前本工程已完成拱節(jié)段的現(xiàn)場實測數(shù)值進行綜合分析。

1 項目概況

新建鐵路川藏線拉薩至林芝段藏木雅魯藏布江特大橋位于西藏自治區(qū)山南市加查縣境內桑家峽谷內。大橋為主跨430m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋。線路左右側拱肋平面失高為112m，矢跨比為1∶3.84。單側拱肋為四肢桁式截面，由四根鋼管組合而成。全橋共有15個拱肋吊裝節(jié)段，15節(jié)段為合龍段。

1.1 斜拉扣掛系統(tǒng)

上下游塔架基礎均不等高，高差20m。扣塔單個立柱順橋向布置4排，排間距4.0m，橫橋向布置3列，列間距4.5m。 根據(jù)實際地形兩岸錨索的錨碇均采用樁基承臺錨，分布在兩岸塔架外側。兩岸塔架中心距610m(圖1～圖3)。

圖1 斜拉扣掛系統(tǒng)平面(單位:cm)

圖2 有限元整體模型

圖3 單側拱肋雙吊點示意

1.2 施工工序

施工安排：第3節(jié)拱肋節(jié)段施工完成后拱腳固結，完成體系轉換。施工過程中單側懸臂安裝兩節(jié)后，換至另一側安裝兩節(jié)，再安裝橫向聯(lián)系，之后安裝下一節(jié)段鋼管拱，以此循環(huán)安裝至拱肋合龍。

吊裝工序：項目采用斜拉扣掛法施工，拱肋吊裝采取雙吊點吊裝(圖3)，除了第1節(jié)拱肋用支架支撐外，其他拱肋節(jié)段均用斜拉索固定。扣、錨索從拱肋2號～14號拱肋節(jié)段依次編號為1#～13#扣、錨索。每節(jié)段拱肋通過纜索吊機吊至指定位置，通過內法蘭與前一節(jié)段拱肋懸臂端連接，內法蘭之間通過螺栓連接，之后進行位移調整。通過纜索吊機配合斜拉索張拉進行調整，調整完成后兩拱肋節(jié)段接頭處通過外包板焊接固結。

2 有限元計算結果分析

2.1 吊裝過程中拱肋線形及受力分析

模型1采用索單元來模擬扣、錨索；模型2用桁架單元來模擬扣錨索，提取第3節(jié)、4節(jié)拱肋三等分點位置共計7個點，依照現(xiàn)場進度分別在鋼管拱肋第7節(jié)拼裝完成后(目前拱肋拼裝至第7節(jié))、拱肋合龍后兩種工況下的標高與初始安裝標高的變化值來分析。測量點位從第3節(jié)～4節(jié)拱肋依次編號1～7。

為了便于對結構線形進行分析，將各模型計算結果繪制成圖4、圖5。

圖4 第7節(jié)拼裝完成后標高變位(單位：cm)

圖5 拱肋合龍后標高變位(單位：cm)

在1節(jié)點～7節(jié)點位置提取工況拱肋合龍后的應力，將各模型計算結果列入表1。

由以上數(shù)據(jù)可以看出由兩種單元模擬的扣、錨索模型計算結果誤差較小，線形誤差最大在拱肋合龍后僅為3.17cm，圖中可以看出用索單元模擬的結果更接近實測值。兩種單元模擬結果的應力值誤差最大為2.24MPa。

索單元與桁架單元的區(qū)別在于，程序中索單元考慮非線性分析，桁架單元不考慮幾何非線性；桁架單元不考慮垂度影響，索單元考慮垂度影響，所以更接近實際情況。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)目前既有研究表明[4]當?shù)跹b施工過程中拱腳固結時，幾何非線性因素對拱肋影響較小；當處于鉸接狀態(tài)時，非線性因素對拱肋影響較大[5]，結論和本文計算結果吻合。

表1 拱肋合龍后節(jié)點應力值 MPa

2.2 吊裝過程中整體安全性分析

2.2.1 整體穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計算工況分別考慮橫向、豎向風力作用 2個工況計算。纜索吊機考慮最大吊重250t，由于扣、吊塔為鉸接，僅傳遞軸力，因此將纜索吊機簡化為豎向荷載進行分析，為簡化計算扣錨索采用桁架單元模擬。

(1)荷載工況1：常量包括結構體系自重、吊塔傳遞荷載；變量包括扣索力、錨索力、攬風索力、縱向拉薩至林芝風荷載。

(2)荷載工況2：常量包括結構體系自重、吊塔傳遞荷載；變量包括扣索力、錨索力、攬風索力、橫向上游至下游風荷載。

計算分析結果見表2、圖6、圖7。

表2 結構前五階模態(tài)對應特征值

圖6 結構橫橋向前三階屈服模態(tài)

圖7 結構順橋向前三階屈服模態(tài)

經(jīng)計算2種工況下的特征值均遠大于4.0，滿足規(guī)范要求[2]，結構穩(wěn)定性滿足要求。

2.2.2 扣、錨索索力安全系數(shù)分析

通過有限元計算發(fā)現(xiàn)扣、錨索在各節(jié)段定位張拉完成后，隨著后續(xù)節(jié)段的增加索力值將逐漸減小，因此索力安全系數(shù)以各節(jié)段拼裝是的初始索力值來計算。

斜拉索采用直徑為φ15.24低松弛高強度鋼絞線，抗拉強度為1 860MPa。索力安全系數(shù)可由下式計算：

μn=Anfpk/Fn

式中：An表示n號扣、錨索等效截面面積；fpk為鋼絞線抗拉強度；Fn表示第n號扣、錨索初始張拉力；μn表示第n號扣、錨索安全系數(shù)；n取值從1～13。

扣、錨索共采用了5種規(guī)格的鋼絞線：7φ15.24、9φ15.24、12φ15.24、19φ15.24、22φ15.24。安全系數(shù)計算結果見表3。

為了便于直觀觀察分析，將扣錨索索力安全系數(shù)計算結果繪制與圖8中。

從圖以上圖標中可以看出所有安全系數(shù)均大于2.0，滿足規(guī)范要求[2]，結構安全。

表3 扣、錨索安全系數(shù)

圖8 索力安全系數(shù)雷達分布

3 結論

(1)通過分別采用索單元、桁架單元進行模擬計算，結果表明，拱肋處于固結狀態(tài)時，兩種單元計算的線形、應力結果誤差很小，也印證了既有的研究成果：當?shù)跹b施工過程中拱腳固結時，幾何非線性因素對拱肋影響較小[5]。因此對于無鉸拱在拱肋吊裝過程中可以用桁架單元代替索單元模擬扣、錨索簡化計算。

(2)本文穩(wěn)定性計算偏保守，但通過計算特征值遠大于規(guī)范要求，另外扣錨索索力安全系數(shù)儲備充足，因此本項目斜拉扣掛系統(tǒng)整體結構安全可靠。