大跨徑鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工設計計算分析

岳建彬 楊靚 李昊 劉再德

摘要：纜索吊裝施工技術在鋼管混凝土拱橋施工過程中應用廣泛。為確保施工安全及拱肋線型，文章以衡陽縣蒸水靈瑞寺（清江）大橋為工程背景，對纜索吊裝施工過程中主索的最大拉應力、最大垂度與吊裝過程中的控制垂度、索塔的高度及扣索的拉力的計算方法進行分析，以保證施工的安全和拱肋的線形。

關鍵詞：纜索吊裝施工;鋼管混凝土拱橋;主索;扣索;計算方法

0 引言

鋼管混凝土拱橋因其特有的結構形式，使鋼筋和混凝土的優劣勢能夠互補和發揮。纜索吊裝的施工技術具有適用性好、設備調運方便、跨越能力大等優勢，故在鋼管混凝土拱橋施工中得到了施工單位普遍的認可[1]。通常來說，纜索吊裝施工技術的基本原理是將拱肋分成若干節段，每一節段通過纜索吊裝至對應位置，之后通過扣索錨于塔架上，直至拱肋合龍后再拆除扣索達到目標線形[2]。纜索吊裝施工過程中，主纜索力、垂度與扣索索力在各個施工階段都不同。主纜索力影響著施工過程的安全性，垂度影響著主索塔的高度與施工能否順利進行，扣索索力影響著施工過程的安全性與拱肋的線形，因而對纜索吊裝施工的關鍵內容進行計算是非常重要的。

1 工程概況

某大橋主橋為210 m跨提籃式拱橋，北引橋長102 m，南引橋長118 m，橋梁全長436 m，主橋鋼拱肋采用纜索吊裝系統安裝。纜塔和扣塔做分離設計，全橋設2個索塔、4個扣塔。南側主索塔中心里程為K0+431.029，扣塔中心里程為K0+438.679;北側主索塔中心里程為K0+714.329，扣塔中心里程為K0+666.329。纜索吊裝總體布置如下頁圖1所示。

2 主索計算

纜索吊裝施工過程中，跑車的位置和起吊重量都在變化，因而主索拉力和垂度也在不斷變化。計算時，如需計算整個施工過程的主索應力和垂度則過于復雜，因此對每個施工階段的主索控制應力和控制垂度進行計算即可。主要的計算內容為主索最大拉應力和最大垂度、跑車空載位于跨中時主索初始安裝張力和初始垂度、跑車在起吊平臺起吊拱腳節段時主索的張力和垂度、跑車位于各節段的安裝位置起吊相應節段時主索的張力和垂度。

2.1 計算假定

（1）纜索自重荷載假定沿跨長均布，屬于近似計算。

（2）按彈性變形理論計算，未考慮非彈性變形。

（3）懸索是絕對柔性，任一截面均不能承受彎矩。

（4）跑車處于某一平衡狀態，即對纜索做靜力平衡計算。

（5）不計跑車、滑輪和纜索之間的摩阻力。

2.2 主索最大張力和最大垂度

當跑車吊重后，位于跨中平衡狀態，此時主索產生最大拉力，并控制主索設計。這里將主索的容許張力作為主索最大張力，來計算主索的最大垂度。

設主索的張力安全系數K=3.5，則主索的容許張力為：

Tmax=TnK=10×1 3803.5=3 942.9 kN，H≈Tmax

根據路橋施工計算手冊[3]，將水平力H帶入式（1）進行求解，求得最大垂度為20.45 m，垂跨比為1/13.856，符合在L/13～L/18之間的一般經驗值。

2.5 主索塔架高度確定

2.5.1 北側主索塔架高度確定

因主索塔的中心相對于主橋中心線偏向北側（大里程方向），因此按吊裝北側拱肋時垂度控制設計。為保證施工過程的順利進行，北側主索塔架高度應同時滿足：起吊跨中拱肋時，跨過已吊裝完的拱肋節段和驗算拱腳節段時的垂度，保證主索不與扣塔位置沖突，同時考慮0.3 m的施工安全距離。計算后，塔高采用90 m。

2.5.2 南側主索塔架高度確定

為減小牽引力，一般預制場一側的主索塔架稍為高一點，本工程預制場側主索塔架頂高度比對岸主索塔架頂高度高2 m，塔架高度為88 m。

3 扣索計算

每一節段吊裝完成后，均會對之前已經張拉的扣索索力產生影響，故每完成一節段的吊裝，需對所有已安裝的扣索索力進行調整。下面對各施工階段的扣索索力進行計算，從而了解扣索索力的變化情況，對吊裝的安全進行與拱肋的線形把控有著重要的作用。扣索計算簡圖如圖2所示。

3.1 計算假定

（1）拱肋架設過程中，拱腳及拱肋接頭處視為鉸接，不承受彎矩。

（2）各拱肋節段剛度相對于扣索為無窮大，視為剛體。

（3）假定各拱肋節段的重心位于縱向的中心。

（4）因風纜位置不確定，暫未計算風纜對扣索拉力的影響，整體考慮1.1的系數。

（5）合龍段重量由兩側扣索各承擔一半。

3.2 扣索索力計算

根據假定，拱肋被分成了相互鉸接的節段，且各拱肋節段的重心位于縱向的中心，故可以采用簡單的平面力系平衡，將拱肋的不同節段分離出來求解索力。在不同的施工階段，先根據拱肋接頭處彎矩M為0，計算當前節段的扣索索力;然后根據拱肋接頭處∑X與∑Y均為0，計算接頭處的節點力;之后再計算上一節段的扣索索力，如此循環，直到計算到第一個節段。扣索分段計算原理如圖3所示。經過計算，扣索索力計算結果如表2、表3所示。并對扣索進行安全系數驗算，均滿足要求。

注：（1）負數表示吊裝下一節段時，使得扣索的拉力變小;

（2）當扣索合力為負數時，表示該扣索的張力為0;

（3）考慮到拱肋穩定風纜的作用和吊裝振動，扣索受力乘以1.1的系數;

（4）施工過程中要求每吊裝一段拱肋，在主纜卸力過程中調整全部扣索張力，確保全部受力均勻

4 結語

本文以某實際工程為例，對大跨徑鋼管混凝土拱橋鋼管拱肋纜索吊裝施工過程中主索和扣索的控制要素進行計算，現對計算的關鍵內容進行總結。

（1）主索需進行最大拉應力和最大垂度的驗算與吊裝過程中的控制垂度計算。之后，根據計算的垂度來計算主索塔的高度，以保證施工的安全和施工的順利進行。

（2）扣索則將鋼拱肋看成由幾個剛體節段鉸接而成，根據平面力系平衡，求出各個節段吊裝結束后的該節段的扣索索力與前幾個節段扣索索力的變化，然后根據每個扣索在纜索吊裝施工過程中的最大索力進行安全系數驗算，以保證施工的安全和拱肋的線形。

參考文獻：

[1]蔣 瑋，李莘哲.鋼管拱橋纜索吊裝施工中主索結構狀態高精度計算[J].中外公路，2020，40（2）：123-126.

[2]顧 穎，姚昌榮，李亞東，等.大跨度鋼管混凝土拱橋安裝線形控制方法研究[J].橋梁建設，2014，44（1）：107-113.

[3]周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.