羅文大橋纜索吊裝施工系統力學分析

李 彪， 羅 天

(1.南寧城市建設投資集團有限責任公司， 南寧 530033； 2.四川省公路規劃勘察設計院有限公司， 成都 610041)

大跨度拱橋受施工條件的限制，常常采用無支架施工方法，包括懸臂施工法和纜索吊裝法[1-3]。其中，懸臂施工法既有利于通航，又能進行變截面橋梁結構的施工，但施工工藝要求高，靈活性小[4]；纜索吊裝施工法一般是先把拱肋在預制場預制好，后運輸至吊場，通過纜索吊裝系統的索系運送至安裝拼接位置，調整扣索使吊裝拱肋的拱軸線符合設計的拱軸線。纜索吊裝施工法在橫橋向和順橋向運送拱肋比較靈活，在大跨徑的拱橋施工中應用更為廣泛。纜索吊裝系統主要由4部分構成：塔架及風纜索，纜索系統，跑車，錨碇裝置。其中，塔架主要承擔主索、起重索、牽引索及扣索等索系組成部分，是纜索吊裝中最關鍵的部分，關乎施工能否順利、安全進行，很多學者對塔架進行了研究。D.Brun等[5]提出了一種基于懸鏈線的計算模型用于計算起重索的線形。Wojciech 等[6]對起重索在施工過程中的安全性進行了詳細研究。楊勝等[7]通過有限元法優化了纜索吊裝施工過程中的索力。戴鵬等[8]提出了拱橋纜索吊裝施工方法的動坐標迭代法計算理論。羅才英等[9]根據工程經驗和相關規范提出了纜索吊裝的關鍵控制點。向中富等[10]通過實際工程研究了中乘式拱橋纜索吊裝施工技術。這些研究均表明，在纜索吊裝施工中，結構力學特征復雜，局部易出現受力不合理的現象，會給橋梁施工和運營帶來安全隱患[11-13]。因此，針對特定的大橋，有必要對拱橋纜索吊裝施工和成橋時的結構內力進行研究分析，保證橋梁安全。

為研究拱橋在纜索吊裝施工中結構的受力特點，選取羅文大橋纜索吊裝施工方法為研究對象，采用有限元分析，對該橋纜索吊裝施工過程和成橋狀態進行詳細計算研究，獲取其受力特征，為羅文大橋的纜索吊裝施工設計提供依據，也為同類型橋梁設計施工提供參考。

1 工程概況

羅文大橋地處南寧邕江，主橋全長460 m，全橋布置為50 m+2×180 m+50 m，為海鷗式雙跨系桿鋼箱梁拱橋，主拱高50 m，跨徑為180 m，由三角鋼架區和主拱段組成，整體為梁-拱協作體系。主梁橋面為鋼箱邊主梁形式，全寬41.5 m，整體布置如圖1所示。

(a) 全橋布置

(b) 主梁橫斷面

2 纜索吊裝施工方法

與一般橋梁的纜索吊裝施工方法不同，羅文大橋根據自身結構特點和所處環境情況，采用“纜索吊拱，以拱提梁”的纜索吊裝施工方法，具體施工步驟為：

1) 主橋鋼箱拱、鋼箱梁節段等在工廠預制好后運送至施工現場，用于起吊吊裝；

2) 利用兩岸的索塔作為扣塔，采取“扣掛合一”方式，中間墩位設一扣塔，掛扣系統在吊裝完拱后進行拆除；

3) 主拱的鋼箱利用單組索道進行起吊，完成主拱吊裝，根據拱段的重量、高度和線形，設計計算纜索吊裝吊機的額定起重量、塔架的形式和高度，主纜參數等；

4) 主拱吊裝完成后，利用在拱上的吊架對鋼箱梁主梁進行提升，完成主梁吊裝。整個吊裝施工法過程如圖2所示。

該橋在拱肋吊裝施工過程采用了“掛扣合一”的方法，該方法的主要優勢在于對線形控制較好，能實現精準合龍。傳統的合龍技術需要對每一段拱肋進行高度預設，在合龍段合龍時，按照比例調節各拱肋對應的扣索，直至合龍。“掛扣合一”的施工方法是先肋拱合龍，后放松扣索。但這種方法對整體技術要求較高，在施工前需確保每階段的計算精確。

3 施工過程有限元計算

3.1 有限元建模

為了分析羅文大橋施工過程和吊裝完成后成橋態結構受力特征，建立了全橋有限元模型。其中鋼箱主梁采用梁單元和板單元的混合有限元模型、三腳剛架區混凝土主梁采用梁格法、影響面加載采用虛擬橋面板方式、混凝土拱肋與鋼箱拱肋均采用空間梁單元、混凝土拱座從混凝土拱肋的底部到承臺頂用變截面梁單元、系桿索和吊索采用桿單元、吊索與拱肋和主梁的連接采用鉸接方式、承臺和樁基均采用空間梁單元。

(a) 主拱肋吊裝

(b) 主梁吊裝

羅文大橋的2個計算模型邊界約束條件如表1所示，材料參數如表2所示，全橋有限元模型如圖3所示。

3.2 有限元模型計算工況

為對施工階段進行準確模擬，在有限元軟件中全橋施工流程被分為25個階段，如表3所示。

4 纜索吊裝施工過程主橋結構受力特征

4.1 主拱施工階段結構穩定性

選取拱肋合龍前最大懸臂階段、拱肋合龍拆除扣索階段等2個最危險的關鍵施工工況進行施工階段特征值穩定計算，結果如圖4所示。最大懸臂狀態時，考慮橫向陣風荷載作用，結構首先表現為扣塔橫向失穩，1階線彈性穩定系數為18.5，當不考慮扣塔穩定性時(即假設扣塔不失穩)，結構的1階線彈性穩定系數遠大于扣塔1階線彈性穩定系數，如圖4(a)和(c)所示。拱肋合龍、張拉臨時系桿索并拆除扣索階段時，考慮橫向陣風荷載作用，結構的1階線彈性穩定系數為71.9，為拱肋橫向失穩，如圖4(b)和(d)所示。

表1 結構各部位邊界約束條件

表2 全橋材料力學特性

圖3 羅文大橋纜索吊裝施工過程有限元模型

表3 施工階段劃分

(a) 最大懸臂階段扣塔

(b) 拱肋合龍拆除扣索階段拱肋

(c) 最大懸臂階段結構1階失穩模態

(d) 拱肋合龍拆除扣索階段拱肋1階失穩模態

4.2 主拱施工階段結構強度

計算結果顯示，在吊裝拱肋的施工階段，主墩基礎最不利推力出現在拱肋合龍之前，為1 990 kN；在成橋階段，主墩基礎最不利推力為2 675 kN；在運營階段，主墩基礎最不利推力為7 205 kN。整個施工過程中，扣索、錨索、吊桿、系桿的應力均滿足安全性要求，結構始終保持安全。

4.3 纜索吊裝施工完成后拱肋和主梁位移及受力狀態

拱肋和主梁在纜索吊裝施工及二期恒載澆筑后，拱肋豎向最大位移為-32.6 mm，撓跨比為32.6/180 000=1/5 521；主梁豎向最大位移為 -12.0 mm，撓跨比為12.0/180 000=1/15 000，均滿足設計要求。

主拱和三角鋼架彎矩介于-91 791 kN·m～+44 284 kN·m之間，最大彎矩和最小彎矩均位于三角鋼架拱梁結合處，主拱和三角鋼架軸力介于 -4 389 kN～+139 143 kN之間，最小軸力位于邊跨三角鋼架主跨側拱梁結合處。

除拱梁結合處的局部出現拉應力和較大壓應力外，拱肋和主梁在纜索吊裝施工完成后，下邊跨三角鋼架處于良好的彈性受壓狀態，最大壓應力為-14.8 MPa；下中跨三角鋼架也處于良好的彈性受壓狀態，最大壓應力為-12.0 MPa。

在有限元模型中由于采用虛擬梁和剛臂近似模擬三角鋼架拱梁結合處的連接狀態，而該處的構造和傳力機制比較復雜，因此，實際應力比計算結果小，結構處于安全狀態。

拱肋和主梁在纜索吊裝施工完成后，鋼主拱和鋼副拱最大拉應力和最大壓應力分別為21.6 MPa和-84.2 MPa,遠遠小于鋼的屈服應力，滿足設計要求。

4.4 拱肋纜索吊裝施工過程建議

從有限元計算結果已知，總體施工方案是安全的，各構件內力、應力在施工過程中都能滿足規范要求。同時，拱肋合龍前最大懸臂施工階段是結構失穩的最不利工況，且塔架結構在施工過程中的某些桿件受力較大，在成橋階段三角鋼架拱梁結合處所受彎矩和軸力較大。針對以上問題，結合有限元計算結果，建議采取以下措施使得結構體系受力更合理。

1) 通過張拉系桿來平衡拱肋產生的恒載水平推力，基礎僅承受活載產生的一部分水平推力。

2) 由于中跨恒載遠大于邊跨，使得主墩和三角鋼架承受了不平衡荷載，在拱圈合龍前調整扣索拉力，以使邊主墩預承受反向彎矩，解決受力不平衡的問題。

3) 為改善邊跨混凝土三角鋼架斜腿的內力，分析了影響其最敏感的因素，發現在于減小梁端部交界墩上支座恒載反力和系桿力。為此，通過在交界墩位置設置較小剛度的臨時支架，調整了三角鋼架段的彎矩，得到受力比較均衡的成橋內力狀態。

5 結論

本文以采用纜索吊裝施工方法的羅文大橋為研究對象，通過建立有限元模型，分階段對其施工狀態和吊裝成橋狀態后的結構受力特性進行模擬分析，主要有以下結論：

1) 根據現場條件擬采用“纜索吊拱，以拱提梁”“扣掛合一”等施工方法安全可行，吊裝施工過程中結構受力滿足規范要求。

2) 羅文大橋纜索系統在施工過程中部分構件受力較大、在成橋階段三角鋼架拱梁結合處所受彎矩和軸力較大、拱肋合龍前最大懸臂施工階段是結構失穩最不利工況，均需采取措施優化結構受力。

3) 結合有限元計算結果，建議通過采取拱圈合龍前調整扣索拉力、在交界墩位置設置較小剛度的臨時支架等措施優化結構體系受力特性。