瀘州先市大橋纜索吊裝計(jì)算分析與監(jiān)測

摘要：對瀘州先市鋼管混凝土拱橋吊裝進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，拱肋節(jié)段安裝采用“兩點(diǎn)抬吊、正吊正扣”的無支架纜索吊裝方案，建立Ansys空間桿系模型對纜索開展分析。對索塔塔架連接形式進(jìn)行選型分析，建立Midas模型模擬拱肋吊裝階段的施工。采用GNSS對拱橋索塔塔頂位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明：索塔剛度和強(qiáng)度滿足要求，塔架連接形式對結(jié)構(gòu)的整體安全性影響較小，扣塔鋼管安全儲(chǔ)備高，GNSS能有效對索塔塔頂位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：公路施工;混凝土路面;技術(shù)應(yīng)用

0" "引言

拱橋具有結(jié)構(gòu)形式多樣、剛度大等特點(diǎn)，是國內(nèi)主要建設(shè)橋型之一[1]。近年來，我國鋼拱橋的跨度不斷增大，設(shè)計(jì)、制作等技術(shù)不斷提高，鋼拱橋的纜索吊裝計(jì)算和吊裝監(jiān)控等方面逐漸成為橋梁研究的熱點(diǎn)[2]。

纜索吊裝是指通過纜索系統(tǒng)將預(yù)制構(gòu)件吊裝成橋。在吊裝過程中，要保證結(jié)構(gòu)的受力和橋梁的線形，需對整個(gè)橋梁施工吊裝過程進(jìn)行監(jiān)測和內(nèi)力數(shù)值分析，對施工前期可變量進(jìn)行調(diào)整。通過軟件模擬與實(shí)際工程相結(jié)合，以指導(dǎo)和控制施工，從而使施工過程盡可能的接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，其受力和形態(tài)都符合要求[3-6]。

在橋梁跨度不斷增加、施工現(xiàn)場地形復(fù)雜多變、施工難度增大的背景下，從業(yè)技術(shù)人員對纜索吊裝的研究也在不斷深化[8]，本文采用計(jì)算機(jī)軟件對纜索吊裝階段施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析計(jì)算吊裝過程構(gòu)件的受力變化，探尋拱肋品裝全過程的結(jié)構(gòu)受力，為相關(guān)工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1" "工程概況及主要構(gòu)造設(shè)計(jì)

先市大橋位于四川瀘州市合江縣先市鎮(zhèn)渡口下游300m處，大橋全長358.02m，主橋?yàn)橛?jì)算跨徑240m的中承式鋼管安混凝土拱橋。圖1為先市大橋的橋梁立面圖。

主橋采用四管桁式拱肋，桁架高4.6m，寬2.3m，矢高60m，矢跨比為1/4，拱肋采用等截面懸鏈線無鉸拱，拱軸系數(shù)m=1.5，引橋?yàn)榭鐝?5m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。圖2所示為拱肋標(biāo)準(zhǔn)圖。拱肋為由鋼管混凝土弦桿和鋼管腹桿組成的桁架結(jié)構(gòu)，每肋4道弦桿，弦桿直徑為900mm，長度分別為20mm、16mm、14mm、12mm。內(nèi)灌C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。橫向通過Φ520×14mm的橫聯(lián)鋼管連接，豎向通過Φ450×10mm的腹桿鋼管連接而構(gòu)成，吊桿和拱上立柱標(biāo)準(zhǔn)間距為7.98m，吊桿豎向兩根腹桿間設(shè)加強(qiáng)鋼板及水平撐。兩拱肋中距為14.4m。

2" "鋼管混凝土拱橋吊裝設(shè)計(jì)

主橋鋼構(gòu)安裝采用無支架纜索吊裝施工工藝，纜索吊裝系統(tǒng)立面布置如圖3所示，其主要包括塔架系統(tǒng)、纜索系統(tǒng)、錨碇系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及扣掛系統(tǒng)等。索塔設(shè)置在兩岸拱座上，利用供座承臺作為基礎(chǔ)，索跨布置為160m+262m+160m，取主索重載垂度fmax為20.96m。索塔平面尺寸為4.854m×4.854m，塔柱間凈距為8.67m。合攏段鋼管樁頂部高度H1=60m，滑車組最小高度H2=5m，跨越障礙物的安全高度H3=3m，千斤頭長度H4=5m，其他不可預(yù)見的因素H5=2m，擬定塔高為102m，索塔底標(biāo)高為220.89m，索塔頂標(biāo)高為322.06m。

主承重錨索系統(tǒng)采用吊點(diǎn)和牽引卷揚(yáng)機(jī)的參數(shù)值為10t，工作索系統(tǒng)采用的吊點(diǎn)和牽引卷揚(yáng)機(jī)參數(shù)值為8t。索纜主要參數(shù)見表1。在兩條拱肋上方各設(shè)置1組吊裝天線系統(tǒng)和1組工作天線系統(tǒng)，而每組吊裝天線系統(tǒng)由2個(gè)起重主吊點(diǎn)及相關(guān)行走設(shè)施組成。拱肋節(jié)段安裝采用“兩點(diǎn)抬吊、正吊正扣”的無支架纜索吊裝方案。每個(gè)拱肋吊裝節(jié)段的吊運(yùn)安裝，均由單組吊裝天線的前后2個(gè)主吊點(diǎn)共同抬吊完成。兩條拱肋之間橫撐的吊運(yùn)安裝，則由上下游兩組吊裝天線的前吊點(diǎn)（或后吊點(diǎn)）共同抬吊完成。

3" "纜索吊裝系統(tǒng)計(jì)算分析

在Ansys中建立空間桿系有限元模型，圖4所示為纜索吊裝系統(tǒng)的有限元模型。對纜索吊裝系統(tǒng)進(jìn)行分析，扣塔鋼管、拱肋及塔頂分配梁按空間梁單元設(shè)置，風(fēng)撐等螺栓連接桿件按空間桿單元進(jìn)行建模。考慮到纜索的垂度非線性效應(yīng)和結(jié)構(gòu)大位移效應(yīng)，纜索和扣錨索按多段桿單元建模，并采用幾何非線性分析方法進(jìn)行分析。索塔拼裝完成后先安裝抗風(fēng)索，再安裝主索，依次吊裝拱肋各拱段并合龍。

對纜索系統(tǒng)開展安裝和吊裝工況模擬，其中工況1為拼裝索塔，工況2為安裝抗風(fēng)索，工況3為安裝主索，工況4分為A、B、C三個(gè)子工況。 A工況對應(yīng)先市側(cè)（左側(cè)）最大吊重吊裝，B工況對應(yīng)跨中最大吊重吊裝，C工況對應(yīng)實(shí)錄側(cè)最大吊重吊裝（右側(cè)）。計(jì)算時(shí)各吊裝工況主索最大吊重按720 kN計(jì)（包含拱段吊重+吊具及跑車等重，單側(cè)主纜所承擔(dān)的總吊重），并考慮牽引索、起重索和承索器的質(zhì)量。

表2列出了不同工況下各索單組索力最大值，其中主索最大索力出現(xiàn)在跨中最大吊重吊裝工況4B，即吊點(diǎn)位于近跨中處，單組最大索力約2443kN。Φ56鋼繩單根破斷拉力折減后按2190kN計(jì)，則主索索力安全系數(shù)K=3.6。

將以索塔拼裝完成狀態(tài)為中心的絕對偏位量，作為索塔塔頂水平偏位，其值以向江心（跨中）側(cè)為正、向岸側(cè)（邊跨）為負(fù)。經(jīng)計(jì)算，得到吊裝時(shí)先市側(cè)（左側(cè)）最大水平塔偏為-6.9～+5.4 cm，實(shí)錄側(cè)（左側(cè)）最大水平塔偏為-6.6～+4.9 cm。最大塔偏量與塔高之比約為1/1475。

經(jīng)計(jì)算得到，主索按8.7 m的空纜跨中垂度安裝時(shí)，最大吊重位于近跨中的4B工況位置時(shí)，主索吊點(diǎn)處的垂度最大約21.5 m，能夠滿足主索下工作空間的要求。最大吊重位于先市側(cè)（左側(cè)）索塔塔前及跨中時(shí)，4A、4B工況為先市側(cè)（左側(cè)）索塔受力的較不利工況，最大吊重位于跨中及實(shí)錄側(cè)（右側(cè)）索塔塔前時(shí)，4B、4C工況為實(shí)錄側(cè)（右側(cè)）索塔受力的較不利工況。

對索塔的鋼管立柱受力進(jìn)行分析后，先市側(cè)（左側(cè)）索塔鋼管立柱工況4A和工況4B時(shí)最大壓應(yīng)力約為-74.2MPa，單根鋼管立柱柱底最大軸壓力約為2396kN，均處于受壓狀態(tài)。實(shí)錄側(cè)（右側(cè)）索塔鋼管立柱在工況4B和工況4C時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。鋼管立柱最大壓應(yīng)力約為-72.3 MPa，單根鋼管立柱柱底最大軸壓力為2362 kN，均處于受壓狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算，最大吊重時(shí)索塔的穩(wěn)定系數(shù)約為17.6。索塔一階失穩(wěn)模態(tài)均為順橋向失側(cè)傾穩(wěn)，二階失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向側(cè)傾失穩(wěn)。索塔失穩(wěn)形式均為整體側(cè)傾失穩(wěn)，未發(fā)生構(gòu)件局部失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4" "拱肋吊裝階段施工監(jiān)控計(jì)算

采用MIDAS建模計(jì)算拱肋拆索成拱階段。主拱肋建模采用梁單元模擬，選用材料為Q355C，主拱灌注混凝土C60，索塔構(gòu)件采用梁單元模擬。扣索和錨索采用索單元模擬，選用材料為1860鋼絞線。格子梁選用梁單元，材料為Q355C。橋面板選用板單元，材料為C40，先市大橋三維計(jì)算模型見圖5。在主拱肋懸臂澆筑施工階段，除考慮結(jié)構(gòu)自重外，還考慮了施工荷載（扣錨索索力、掛籃重等），以合理模擬施工過程。施工模擬共劃分為51個(gè)施工階段。

表3給出了各施工階段的扣索對應(yīng)的索力和設(shè)計(jì)安全系數(shù)，也給出了建議的鋼絞線根數(shù)。按照施工階段計(jì)算，得到主拱肋累積位移及預(yù)拱度設(shè)置情況，節(jié)段1～5對應(yīng)的累積位移分別為5.8mm、12.9mm、44.7mm、76.6mm、52.9mm，在實(shí)錄岸（右側(cè)）。

經(jīng)計(jì)算得到，施工過程中扣塔最大壓應(yīng)力為-68.3MPa。主拱肋懸臂吊裝施工過程中，拱肋最大組合應(yīng)力為-38.5MPa，出現(xiàn)在吊裝6號橫撐節(jié)段。主拱肋懸臂吊裝施工過程中，與鉸軸鋼管N7相連的斜腹桿，在整個(gè)吊裝過程中，鋼管組合應(yīng)力最大計(jì)算值為-23MPa，管內(nèi)C60混凝土組合應(yīng)力最大計(jì)算值為-2.3MPa，均出現(xiàn)在吊裝6號橫撐階段。計(jì)算最大懸臂狀態(tài)（即最不穩(wěn)定工況）的一階失穩(wěn)荷載系數(shù)，考慮在自重、扣錨索索力作用下結(jié)構(gòu)初始幾何剛度，將自重、扣錨索索力取為變量，一階失穩(wěn)荷載系數(shù)為8.92。

按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.1條規(guī)定，在橫橋向風(fēng)作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載按公式（1）計(jì)算：

FH= 21 ρVg2CHH" " " " " " " " " " " " " （1）

式中：FH為作用在主梁單位長度上的靜陣風(fēng)荷載（N/m）;ρ為空氣密度（kg/m3），取為1.25;Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速;CH為主梁的阻力系數(shù);H為主梁投影高度（m）。拱肋的實(shí)面積比為0.1，遮擋系數(shù)η=1.0。經(jīng)計(jì)算可知，施工前期風(fēng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值較小，在最大懸臂狀態(tài)最不利工況下，風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為-30.6MPa，滿足結(jié)構(gòu)安全。

5" "基于GNSS的拱橋索塔塔頂動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測

為控制塔頂?shù)钠唬捎萌蛐l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）對拱橋索塔塔頂?shù)奈灰七M(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。在先市大橋兩岸索塔上布設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航天線，監(jiān)測上下游拱肋依次吊裝過程中不同步情況下，索塔臨時(shí)結(jié)構(gòu)的空間變形情況。對其偏位情況進(jìn)行24h連續(xù)不間斷全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)預(yù)警閾值，對其變形情況進(jìn)行即時(shí)安全分析和狀態(tài)預(yù)警，為現(xiàn)場施工提供數(shù)據(jù)支撐。

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)分為GNSS數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)通訊部分、數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)采集采用5臺華測P5采集系統(tǒng)配備小盤天線，其中1臺為參考站，4臺為監(jiān)測站。數(shù)據(jù)通訊采用GPRS信號將采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作站。數(shù)據(jù)處理部分用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收、儲(chǔ)存和處理，并對原始數(shù)據(jù)和處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和評估及預(yù)警。

先市下游3節(jié)段吊裝塔偏測點(diǎn)數(shù)據(jù)見圖6。由圖6可知，塔架存在一定的扭轉(zhuǎn)變形，先市下游3節(jié)段吊裝階段，上游側(cè)塔架的位移為11mm，下游處塔架的位移為41mm，兩者相差為30mm。通過監(jiān)測可知，先市上游4節(jié)段吊裝階段，上游側(cè)塔架的位移為44mm，下游處塔架的位移為28mm，兩者相差為16mm。先市上游5節(jié)段吊裝階段，上游側(cè)塔架的位移為37mm，下游處塔架的位移為24mm，兩者相差為13mm。

6" "結(jié)論

針對先市大橋進(jìn)行纜索吊裝計(jì)算分析，并對拱肋吊裝階段施工監(jiān)控進(jìn)行計(jì)算。采用Ansys建立了結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，通過模擬計(jì)算得到了纜索吊裝過程中結(jié)構(gòu)的受力變化。建立Midas計(jì)算模型，對拱肋吊裝的施工步驟進(jìn)行了模擬，掌握了拱肋吊裝全過程的結(jié)構(gòu)受力。得到如下結(jié)果：

兩岸索塔的鋼管立柱均處于受壓狀態(tài)，索塔強(qiáng)度和剛度滿足要求，索吊最大吊重時(shí)索塔的穩(wěn)定系數(shù)均在17.6，索塔穩(wěn)定性可滿足要求。主索空纜垂度按8.8m安裝時(shí)，可滿足要求。

施工過程中扣塔鋼管最大壓應(yīng)力為68.3MPa，安全儲(chǔ)備較高，將自重、扣錨索索力，風(fēng)荷載均取為變量，一階失穩(wěn)荷載系數(shù)為8.92，>要求值4.0。靜陣風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果表明，靜陣風(fēng)荷載對主拱肋的影響較小。采用GNSS能對拱橋索塔進(jìn)行有效監(jiān)測，經(jīng)監(jiān)測可知，塔架存在一定的扭轉(zhuǎn)變形，兩者相差值為13～30mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳寶春，陳康明，趙秋.中國鋼拱橋發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J]. 中外公路，2011，31（2）：121-127.

[2] 陳寶春.拱橋技術(shù)的回顧與展望[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2009（1）：

[3] 石雪飛.孫建淵.項(xiàng)海帆.橋梁施工控制對策分類分析，第十四屆全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京：人民交通出版社，2000.

[4] 徐君蘭，大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5] P.Reddy，J.Ghaboussi and N.M.Hawkin s（1999） ：Simulation of"construction of cable stayed bridge. Journal of Structural Engineer ，Vol.4，No.4 November，1999.ASCE

[6] 徐岳等.懸索橋施工控制方法的研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.17，No.4，1997

[7] 孫曉紅.鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控與拱肋吊裝計(jì)算[D].福州：福州大學(xué)，2005.