平南三橋不同封拱腳方案對比分析

韋建昌 秦大燕 杜海龍

摘要：平南三橋為主跨575m的中承式鋼管混凝土拱橋，其管徑大、吊重大、吊裝節(jié)段數(shù)多，如果采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，會導致施工過程中線形和各扣索索力均勻性較差。為確定合理的封拱腳時機，確保施工安全，文章采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計算方法，從施工線形、扣索索力均勻性和拱圈應力等幾個方面對三種封拱腳方案（單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳、單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳、單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳）進行對比研究。研究結(jié)果表明，單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳方案的施工線形、各扣索索力均勻性和拱圈應力等均較好，為最佳施工方案?；诖?，對第六段封拱腳施工方式下拱圈實測線形和目標線形進行比較，進一步驗證了施工方式的合理性。

關(guān)鍵詞：拱橋;平南三橋;封拱腳方案;過程最優(yōu)，結(jié)果可控;線形

0 引言

平南三橋為主跨575m的中承式鋼管混凝土拱橋，其管徑大、吊重大、吊裝節(jié)段數(shù)多，如果采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，會導致施工過程中線形和各扣索索力均勻性較差。為確定合理的封拱腳時機，確保施工安全，本文采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計算方法，從施工線形、扣索索力均勻性和拱圈應力等幾個方面對以下三種封拱腳方案進行了對比研究：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。

1 項目概況

平南三橋為跨徑575m的中承式CFST拱橋，矢跨比為0.25，拱軸線采用m=1.5倒懸鏈線。拱肋為變截面四肢桁架結(jié)構(gòu)，每片拱肋分為22個節(jié)段吊裝，總扣掛重量為9000t，最大節(jié)段吊裝重量為220t，采用纜索吊運斜拉扣掛技術(shù)施工，采用每片拱肋連續(xù)吊裝兩節(jié)段橫移一次的吊裝方案[1-2]，如圖1所示。

整個吊裝過程中采用對稱吊裝施工，吊裝順序如圖2所示。對于大跨徑拱橋而言，由于拱肋節(jié)段數(shù)多，采用吊裝完所有拱肋節(jié)段再封拱腳的施工方式，即“先合龍，再封拱腳”，會使施工過程中的拱肋線形控制難度大，施工安全性較差?；诖?，需選擇合理的拱圈封腳方案，本文主要討論三種不同封拱腳方案：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。選出最優(yōu)方案以確保施工安全。

2 主拱圈施工控制

2.1 建模參數(shù)和荷載工況取值

采用大型有限元軟件MidasCivil建模，拱肋節(jié)段和扣索分別采用梁單元和桁架單元建模，扣索采用1860MPa15.2mm高強度低松弛鋼絞線，彈性模量E=1.95×108kN/m2，其余各幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及扣索長度的等效處理見文獻[2]。MidasCivil軟件建模中拱肋鋼材容重取為83.22kN/m3，經(jīng)計算，平南三橋主拱鋼材換算容重為1.06。各拱肋節(jié)段質(zhì)量統(tǒng)計如表1所示。

2.2 計算方法

現(xiàn)有鋼管混凝土拱橋施工控制方法主要有零彎矩法[3]、迭代法[4-5]、無應力長度法[6-7]和基于影響矩陣原理的優(yōu)化算法[8-9]等。零彎矩法視拱肋各節(jié)段的連接為腳接，基于力矩平衡原理計算各扣索索力。該方法計算原理簡潔、高效，但忽略了吊裝的切線拼裝位移，且計算得到的扣索力有時會出現(xiàn)負值，導致扣索力計算失真。李傳夫、李術(shù)才等[5]以湖北某計算跨徑為430m的鋼管混凝土拱橋為工程背景，將最優(yōu)化計算理論引入正裝迭代法中，以此計算拱圈施工各扣索索力。徐岳、申成岳等[4]基于影響矩陣原理和正裝迭代計算理論，提出了改進迭代法，并將該計算理論應用于跨徑為248m的鋼管混凝土拱橋中，較傳統(tǒng)正裝法提高了計算效率。李開心、龔清盛等[7]將無應力長度計算理論推廣應用于鋼管混凝土拱橋的斜拉扣掛施工，并取得較好的計算效果。由于傳統(tǒng)的施工控制計算方法僅控制合龍松索后的線形，忽略了拱圈安裝施工過程中的線形和索力均勻性等問題。韓玉、秦大燕等[8]基于影響矩陣原理和最優(yōu)化計算理論，以合龍松索后線形為約束條件、各吊裝施工階段線形為優(yōu)化目標函數(shù)，建立拱圈一次張拉施工優(yōu)化計算方法。該方法應用于跨徑320m的鋼管混凝土拱橋——馬灘紅水河特大橋的施工控制，通過與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了該計算方法具有良好的計算精度[8][10]。流程圖詳見圖3。

3 傳統(tǒng)封拱腳方案

傳統(tǒng)鋼管混凝土拱橋施工多采用“先合龍，后封拱腳”的施工方案，對于小跨徑拱橋而言，具有較好的適應性，而對于吊重大、拱肋節(jié)段數(shù)多的大跨徑拱橋，施工線形控制難，施工風險較大?；诖耍疚囊云侥先龢驗楣こ瘫尘埃捎梦墨I[8]提出的一次張拉施工優(yōu)化計算方法，對“先合龍，再封拱腳”的施工方案開展研究。

3.1 拱圈線形

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，拱圈上游（A）和下游（B）以及南北兩岸索力和各控制點線形差別小，因而取南岸下游計算分析。取合龍松索后線形偏差為30mm，施工過程中各控制點線形偏差如圖4所示。從圖4可以看出，采用“先合龍，再封拱腳”的施工方式，施工過程中各控制點線形與目標線形偏差達到382mm，施工風險大。

3.2 各扣索索力均勻性

進一步地，對拱圈施工過程中，各扣索均勻性進行計算，計算結(jié)果見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，拱圈施工過程中，各扣索索力變化較大，最大變化值達到300kN（4#扣索力），導致施工風險較大。

4 不同封拱腳方案對比分析

由以上分析可知，采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，將導致施工過程中的線形和各扣索索力均勻性較差，施工風險較大。因此，需選擇合理的封拱腳時機?；诖?，對以下三種封拱腳方案進行

建模計算，分析各扣索索力均勻性、施工線形和拱圈應力等情況：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。

4.1 各扣索索力對比分析

（1）各扣索索力均勻性

由圖7（a）可知，各封拱腳方案相鄰兩扣索索力均在100kN以內(nèi)波動，各扣索索力變化平緩，均勻性較好。

（2）最大扣索力及配索（見表2）

由圖7（b）可知，在整個吊裝施工過程中，第六段封拱腳和第八段封拱腳相鄰兩索力均變化在200kN范圍內(nèi)，索力均勻性好。采用第四段封拱腳方案，第5號扣索和第6號扣索相差327kN，存在較大波動性。表2進一步表明，采用第四段封拱腳方案所需扣索數(shù)量略高于其他兩種封拱腳方案。

4.2 線形對比分析

[JZ][XCLL68.EPS;P][TS（][HT9.H][JZ]圖8 各控制點與目標線形偏差圖（mm）[TS）]

由圖8可知，在整個吊裝施工過程中，三種封拱腳方案施工過程中線形與合龍松索后線形均合理。從線形精度考慮，第六段和第八段封拱腳方案的線形要優(yōu)于第四段封拱腳方案。

4.3 白噪音試驗

引入幅值為30mm的白噪音，進行了200次試驗分析，其試驗結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，采用第四段封拱腳方案，引入幅值30mm的白噪音，開展200次誤差實驗分析，在松索成拱后分別被放大成為44mm，具有一定的施工風險。

5 結(jié)語

（1）三種封拱腳方案索力均勻性均較好，第六段封拱腳和第八段封拱腳方案各扣索配置數(shù)量相同，略低于第四段封拱腳方案的扣索數(shù)量。

（2）通過白噪音試驗研究表明，第六段封拱腳方案和第八段封拱腳，變化幅度均很小。第四段封拱腳方案引入幅值為30mm的白噪音，在松索成拱后分別被放大成為44mm，具有一定的施工風險。

在整個吊裝施工過程中，第四段封拱腳方案的線形、索力均勻性以及經(jīng)濟性均不及第六段封拱腳方案和第八段封拱腳方案，第六段封拱腳方案和第八段封拱腳方案的扣索數(shù)量、索力均勻性、線形精度均很接近。由于提前封拱腳有助于提高后續(xù)施工過程中的安全性，因此，實際施工采用單片拱肋兩岸各吊裝六段后封拱腳。

參考文獻：

[1]韓 玉，杜海龍，秦大燕，等.平南三橋施工重難點及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)[J].公路，2019（10）：140-146.

[2]秦大燕，杜海龍，韓 玉，等.超大跨徑拱橋不同吊裝方案對比分析[J].公路，2019（12）：100-104.

[3]周水興，江禮忠，曾 忠，等.拱橋節(jié)段施工斜拉扣掛索力仿真計算研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2000，19（3）：8-12.

[4]徐 岳，申成岳，朱誼彪，等.確定拱橋斜拉扣掛施工扣索張力的改進迭代算法[J].橋梁建設(shè)，2016，46（2）：65-69.

[5]李傳夫，李術(shù)才，魏建軍，等.迭代優(yōu)化算法在大跨拱橋線形控制中的應用[J].山東大學學報（工學版），2008，38（3）：23-27.

[6]譚 俊.無應力狀態(tài)控制法在橋梁施工控制中的應用[J].公路，2016（4）：122-126.

[7]李開心，龔清盛，田維鋒，等.拱橋纜索吊裝施工的無應力狀態(tài)控制法[J].中外公路，2012，32（6）：203-207.

[8]韓 玉，秦大燕，鄭 健.CFST拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計算方法[J].公路，2018（1）：100-104.

[9]崔鳳坤，朱誼彪.基于影響矩陣的鋼管混凝土系桿拱橋成橋吊桿內(nèi)力的優(yōu)化[J].中外公路，2015，35（6）：195-199.

[10]韓 玉，秦大燕，杜海龍.一次張拉優(yōu)化算法在大跨徑CFST拱橋線形控制中的應用[C].中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會2019年全國橋梁學術(shù)會議論文集，2019.

[11]GB50923-2013，鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].