扣索與拱肋夾角對鋼管拱拱圈應力及線型影響分析

余海

（湖南省中南橋梁安裝工程有限公司，湖南懷化418000）

1 引言

近年來，國內基建行業飛速發展，道路建設越來越向陡峻山川，長大河流區域挺近。鋼管拱橋因其跨越能力強、經濟性適中、造型美觀，越來越多地應用在公路、鐵路、城市道路以及水利工程建設中。采用斜拉扣掛法懸臂拼裝是鋼管拱橋的主要施工方法，扣塔是斜拉扣掛法懸臂拼裝施工必不可少的結構。

本文以某山區高速公路上承式鋼管混凝土拱橋為例，通過有限元計算軟件分析不同扣塔高度時拱圈的應力和線型變化，總結由此產生的問題，提出扣索與拱肋夾角的經驗取值范圍，理清扣塔設計考慮的因素，為今后同類型橋梁施工方案設計提供借鑒案例。

2 橋梁概況

該橋為上承式鋼管混凝土拱橋，計算跨徑為330m，矢高66m，矢跨比1/5；拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為1.543 。

主拱圈采用等寬變高度空間桁架結構，斷面上下2根鋼管中心間距從拱頂的5.2 m變化到拱腳的9.7 m，橫橋向設置2片拱肋。單片拱肋斷面由4根外徑φ1 300mm的卷制焊接直縫鋼管組成，肋間設置橫聯和米字橫撐。拱肋上弦鋼管自拱腳至拱頂壁厚分別為34mm、28mm、30mm，拱肋下弦鋼管自拱腳至拱頂壁厚分別為34mm、30mm。單片拱肋中心之間距離為4.1 m，左右肢拱肋中心之間的距離18m。腹桿采用φ610mm×16mm和φ610mm×14mm鋼管，拱腳處與鉸相連的兩斜腹桿及銷軸鋼管內灌注C60自密實補償收縮混凝土，橫聯桿采用φ711mm×16mm無縫鋼管。

3 分析工況設置

為了對比扣索與拱肋不同夾角情況下拱肋的應力及線型，需要設置不同的扣塔高度，利用有限元軟件進行施工階段分析，得出不同工況下拱圈應力及拱肋反拱情況。

拱圈全橋分28個懸臂拼裝節段+1個合龍段，每段長10～15m，節段質量60～110 t。采用纜索吊吊裝，斜拉扣掛法懸臂拼裝。如圖1所示，本橋扣塔設置在交界墩墩頂，0#～7#段扣索、錨索錨固在交界墩墩頂，8#～14#段扣、錨索錨固在扣塔頂。扣索、錨索均一一對應錨固于墩頂（扣塔頂）縱向布置的扣錨梁上。安裝階段，扣錨索對稱同步張拉，以避免扣塔兩側水平力不平衡，引起扣塔及墩柱承受過大彎矩。

扣塔高度分5種工況設置，分別為21m、16m、11m、6m、1 m，14#扣索與拱肋夾角分別為8.44 °、6.81 °、5.17 °、3.52 °、1.87 °（14#扣索與拱肋夾角為14#節段扣索與拱肋扣點到拱腳側最近一個節間軸線的夾角，其余節段扣索與拱肋夾角大于最后一節扣索與拱肋的夾角，本文不再單獨提取角度）。本文對比分析工況選取僅調整墩頂以上部分扣塔高度，從而引起8#～14#段扣索與拱肋夾角變化，因此。0#～7#段扣索位置不做調整，這樣不會因為索力調整目標趨近不同影響拱肋反拱對比差異。

4 拱圈應力及線型分析

以上5種工況用有限元軟件進行施工階段分析，以安裝節段端部零位移為控制標準，調整8#～14#扣索索力。索力調整后提取拱圈全部安裝完成階段主鋼管與腹桿的最大組合應力、拱肋反拱最大豎向位移。各工況應力及位移結果見表1。

表1 不同扣索與拱肋夾角工況拱圈安裝階段應力及反拱

由表1可以看出，扣塔越低，扣索與拱肋的夾角越小，拱圈應力及拱肋反拱越大。

由表2可以看出，各工況扣塔是等量遞減，夾角差減小基本一致，主管應力差、腹桿應力差以及拱肋反拱位移差均逐級增量變大。可見，扣索與拱肋夾角減小后，拱圈應力及拱肋反拱位移增加值不是線性關系，因此，斜拉扣掛設計中要避免扣索與拱肋夾角過小，否則會造成安裝階段應力殘留影響成橋應力，同時，也影響安裝線型控制，造成局部安裝線型不滿足設計及規范要求。

表2 應力與位移工況差

圖1 斜拉扣掛總體布置立面圖

工況1與工況5扣塔高差20m，主管應力增大30.9 MPa，腹桿應力增大14.8 MPa。主拱圈在安裝階段，扣索索力始終存在，扣索需要在全橋合龍后，甚至是管內混凝土灌注后再拆除扣索，即主管內力不會因為扣索拆除而消失。扣掛拆除時，因扣掛而產生的內力僅會在全橋拱圈范圍重分配，從而永久帶入成橋階段。因此，在選擇扣塔高度時，不能僅從吊裝空間關系、經濟性方面考慮，還需要考慮扣索產生的內力對拱圈成橋荷載狀態的影響，避免因為扣塔高度過低給后期拱橋留下永久性隱患。

工況1與工況5拱肋反拱差67mm，特別是工況4與工況5拱肋反拱明顯增加更多，達32mm。扣索與拱肋夾角過小，根據三角函數關系，扣索所能提供的豎向向上的力越小，拱肋軸向力越大。過大的拱肋軸向力會讓拱圈在1/4～1/3范圍出現向上的變形，干擾施工階段拱圈線型控制，特別是拱圈因為氣溫、日照等因素影響，實際情況與理論計算存在差異，更是提高了拱圈測量控制的難度，影響拱圈成橋線型。反拱大小與扣索與拱肋夾角有關，也與設計拱軸系數有關。本橋拱軸系數為1.543 ，屬于偏小設計，如果拱軸系數更大，反拱數值會更大。

若降低扣塔高度，則直觀地減小了扣塔用量，但是，因為扣塔高度降低，扣索、錨索索力增大，相應與扣索錨索相連的扣錨箱、錨梁、扣點、錨錠等均會增大，相關用量均會同步增加。因此，在進行施工方案設計時，要全面綜合考慮，避免片面追求扣塔數量減少，實際臨時結構工程數量并未減少，但是又引起了拱圈應力增加、拱圈安裝線型控制難度大等問題。

前文主要分析了扣塔高度過低的工況，如果扣塔高度過高時，扣掛索力會減小，對拱圈應力、線型控制均有利。但是，扣塔過高時，對扣塔結構的穩定性要求更高，扣塔偏位對扣索、錨索對稱同步張拉的敏感性要求也更高，施工控制難度大，安全風險高。同時，過高的扣塔對日照、氣溫、風力等環境因素影響也會更為敏感，間接影響拱肋安裝線型控制。

根據多種橋型扣掛設計經驗總結，最后一段扣索與拱肋的夾角在6°～12°范圍時，扣塔高度適中，拱圈應力以及拱肋反拱相對較易控制。拱圈拱軸系數設計一般在1.5 ～5.0 ，拱軸系數越大，扣索與拱肋的夾角越需偏高取值。

5 結語

斜拉扣掛法施工時，拱橋的扣塔高度選擇是一個吊裝工況、空間條件、經濟性、安全性的綜合比選過程。扣塔高度設置既要滿足提吊構件能順利就位，又要考慮經濟合理性，還要考慮安裝過程安全性及后期成橋耐久性，不能片面考慮經濟性，忽略了安全性及耐久性。

本文雖然針對鋼管混凝土拱橋進行分析，但是關于扣塔選擇思路同樣適用于鋼箱拱橋、鋼桁拱橋以及混凝土拱橋等采用斜拉扣掛法懸臂施工的拱橋。