扣索與拱肋夾角對(duì)鋼管拱拱圈應(yīng)力及線(xiàn)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(lái)，國(guó)內(nèi)基建行業(yè)飛速發(fā)展，道路建設(shè)越來(lái)越向陡峻山川，長(zhǎng)大河流區(qū)域挺近。鋼管拱橋因其跨越能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性適中、造型美觀，越來(lái)越多地應(yīng)用在公路、鐵路、城市道路以及水利工程建設(shè)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(jié)構(gòu)。

本文以某山區(qū)高速公路上承式鋼管混凝土拱橋?yàn)槔ㄟ^(guò)有限元計(jì)算軟件分析不同扣塔高度時(shí)拱圈的應(yīng)力和線(xiàn)型變化，總結(jié)由此產(chǎn)生的問(wèn)題，提出扣索與拱肋夾角的經(jīng)驗(yàn)取值范圍，理清扣塔設(shè)計(jì)考慮的因素，為今后同類(lèi)型橋梁施工方案設(shè)計(jì)提供借鑒案例。

2 橋梁概況

該橋?yàn)樯铣惺戒摴芑炷凉皹颍?jì)算跨徑為330m，矢高66m，矢跨比1/5；拱軸線(xiàn)采用懸鏈線(xiàn)，拱軸系數(shù)為1.543 。

主拱圈采用等寬變高度空間桁架結(jié)構(gòu)，斷面上下2根鋼管中心間距從拱頂?shù)?.2 m變化到拱腳的9.7 m，橫橋向設(shè)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(shè)置橫聯(lián)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(xiāo)軸鋼管內(nèi)灌注C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，橫聯(lián)桿采用φ711mm×16mm無(wú)縫鋼管。

3 分析工況設(shè)置

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

拱圈全橋分28個(gè)懸臂拼裝節(jié)段+1個(gè)合龍段，每段長(zhǎng)10～15m，節(jié)段質(zhì)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(shè)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(duì)應(yīng)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(duì)稱(chēng)同步張拉，以避免扣塔兩側(cè)水平力不平衡，引起扣塔及墩柱承受過(guò)大彎矩。

扣塔高度分5種工況設(shè)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(jié)段扣索與拱肋扣點(diǎn)到拱腳側(cè)最近一個(gè)節(jié)間軸線(xiàn)的夾角，其余節(jié)段扣索與拱肋夾角大于最后一節(jié)扣索與拱肋的夾角，本文不再單獨(dú)提取角度）。本文對(duì)比分析工況選取僅調(diào)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(diào)整，這樣不會(huì)因?yàn)樗髁φ{(diào)整目標(biāo)趨近不同影響拱肋反拱對(duì)比差異。

4 拱圈應(yīng)力及線(xiàn)型分析

以上5種工況用有限元軟件進(jìn)行施工階段分析，以安裝節(jié)段端部零位移為控制標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整8#～14#扣索索力。索力調(diào)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(yīng)力、拱肋反拱最大豎向位移。各工況應(yīng)力及位移結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同扣索與拱肋夾角工況拱圈安裝階段應(yīng)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(yīng)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(yīng)力差、腹桿應(yīng)力差以及拱肋反拱位移差均逐級(jí)增量變大。可見(jiàn)，扣索與拱肋夾角減小后，拱圈應(yīng)力及拱肋反拱位移增加值不是線(xiàn)性關(guān)系，因此，斜拉扣掛設(shè)計(jì)中要避免扣索與拱肋夾角過(guò)小，否則會(huì)造成安裝階段應(yīng)力殘留影響成橋應(yīng)力，同時(shí)，也影響安裝線(xiàn)型控制，造成局部安裝線(xiàn)型不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

表2 應(yīng)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(yīng)力增大30.9 MPa，腹桿應(yīng)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(nèi)混凝土灌注后再拆除扣索，即主管內(nèi)力不會(huì)因?yàn)榭鬯鞑鸪А？蹝觳鸪龝r(shí)，因扣掛而產(chǎn)生的內(nèi)力僅會(huì)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(shí)，不能僅從吊裝空間關(guān)系、經(jīng)濟(jì)性方面考慮，還需要考慮扣索產(chǎn)生的內(nèi)力對(duì)拱圈成橋荷載狀態(tài)的影響，避免因?yàn)榭鬯叨冗^(guò)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(dá)32mm。扣索與拱肋夾角過(guò)小，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，扣索所能提供的豎向向上的力越小，拱肋軸向力越大。過(guò)大的拱肋軸向力會(huì)讓拱圈在1/4～1/3范圍出現(xiàn)向上的變形，干擾施工階段拱圈線(xiàn)型控制，特別是拱圈因?yàn)闅鉁亍⑷照盏纫蛩赜绊懀瑢?shí)際情況與理論計(jì)算存在差異，更是提高了拱圈測(cè)量控制的難度，影響拱圈成橋線(xiàn)型。反拱大小與扣索與拱肋夾角有關(guān)，也與設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)有關(guān)。本橋拱軸系數(shù)為1.543 ，屬于偏小設(shè)計(jì)，如果拱軸系數(shù)更大，反拱數(shù)值會(huì)更大。

若降低扣塔高度，則直觀地減小了扣塔用量，但是，因?yàn)榭鬯叨冉档停鬯鳌㈠^索索力增大，相應(yīng)與扣索錨索相連的扣錨箱、錨梁、扣點(diǎn)、錨錠等均會(huì)增大，相關(guān)用量均會(huì)同步增加。因此，在進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)時(shí)，要全面綜合考慮，避免片面追求扣塔數(shù)量減少，實(shí)際臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程數(shù)量并未減少，但是又引起了拱圈應(yīng)力增加、拱圈安裝線(xiàn)型控制難度大等問(wèn)題。

前文主要分析了扣塔高度過(guò)低的工況，如果扣塔高度過(guò)高時(shí)，扣掛索力會(huì)減小，對(duì)拱圈應(yīng)力、線(xiàn)型控制均有利。但是，扣塔過(guò)高時(shí)，對(duì)扣塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求更高，扣塔偏位對(duì)扣索、錨索對(duì)稱(chēng)同步張拉的敏感性要求也更高，施工控制難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。同時(shí)，過(guò)高的扣塔對(duì)日照、氣溫、風(fēng)力等環(huán)境因素影響也會(huì)更為敏感，間接影響拱肋安裝線(xiàn)型控制。

根據(jù)多種橋型扣掛設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，最后一段扣索與拱肋的夾角在6°～12°范圍時(shí)，扣塔高度適中，拱圈應(yīng)力以及拱肋反拱相對(duì)較易控制。拱圈拱軸系數(shù)設(shè)計(jì)一般在1.5 ～5.0 ，拱軸系數(shù)越大，扣索與拱肋的夾角越需偏高取值。

5 結(jié)語(yǔ)

斜拉扣掛法施工時(shí)，拱橋的扣塔高度選擇是一個(gè)吊裝工況、空間條件、經(jīng)濟(jì)性、安全性的綜合比選過(guò)程。扣塔高度設(shè)置既要滿(mǎn)足提吊構(gòu)件能順利就位，又要考慮經(jīng)濟(jì)合理性，還要考慮安裝過(guò)程安全性及后期成橋耐久性，不能片面考慮經(jīng)濟(jì)性，忽略了安全性及耐久性。

本文雖然針對(duì)鋼管混凝土拱橋進(jìn)行分析，但是關(guān)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。