廣南高速昭化嘉陵江特大橋扣索系統設計與分析

劉瑞山

摘要 文章以昭化嘉陵江特大橋為施工背景，介紹了扣掛系統構造、扣索系統分析、錨索計算和靜陣風載計算等施工技術要點，并采用大型有限元軟件Midas進行了鋼管勁性骨架拱肋節段纜索吊裝的仿真分析，得出了各階段扣索和錨索的索力以及鋼骨架的應力值，考慮了在最大懸臂階段陣風風載對扣索系統的影響，為施工提供了指導。

關鍵詞 昭化嘉陵江特大橋；Midas； 纜索吊裝；仿真分析；陣風荷載

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0048-03

0 引言

昭化嘉陵江特大橋是廣南高速公路重要的跨江大橋，建成后縮短了貴州和四川之間的交通時間和距離。為確保橋梁施工的安全和順利進行，扣索系統的設計和分析是至關重要的一環[1]。該文將圍繞該工程的扣索系統展開探討，分別從扣掛系統構造、扣索系統分析等方面進行闡述。在扣索系統分析中，將介紹相關的模型和方法，并分別進行扣索張力分析、骨架應力分析、錨索計算以及扣索系統靜陣風載計算等方面的研究，以期為該工程的扣索系統設計和安全性評估提供參考[2]。

1 工程概況

昭化嘉陵江特大橋位于廣元市昭化鎮，跨越嘉陵江。大橋左幅起于K12+420.223，右幅起于K12+420.223，兩幅均止于K13+284.223，全橋長864 m，主橋橋面縱坡?0.3%，采用整幅設計。全橋跨徑組合為（8×30）m預應力簡支小箱梁+跨徑364 m拱橋+（8×30）m預應力簡支小箱梁，主橋長364 m，引橋長500 m。

2 扣索系統分析

單側鋼骨架共設置6個扣段和13個吊裝節段，除1號扣段由預埋段及1、2吊段組成外，其余均是兩個吊段為一扣段。安裝分為三個階段進行：第一階段進行南充側13個節段安裝；第二階段進行廣元側13個節段安裝；第三階段合龍段安裝。具體施工工況劃分見表1。

廣元岸和南充岸的1#和2#扣索通過錨固在蓋梁上進行張拉。而3#、4#、5#和6#扣索則直接錨固在墩頂鋼錨箱上進行張拉。此外，6#和7#臨時扣索固結在吊裝索塔的塔頂。為了實現臨時固結，采用了直徑為Φ47.5的鋼絲繩作為臨時扣索材料[3]。

2.1 模型介紹

為確保鋼骨架拱肋的安全安裝，采用Midas有限元模型進行模擬計算。圖1為吊裝計算模型圖。在該模型中，昭化嘉陵江特大橋的鋼骨架使用梁單元表示，全橋總共包含共3 746個單元。正式扣索和5#、6#臨時扣索則采用索單元表示，每幅拱肋上相同角度的一對（臨時）扣索合并為1根，扣點選在中間鋼管處。整座橋梁共建有12對正式扣索和4對臨時扣索，所有扣索均采用單元模擬計算[4]。扣索錨固點及拱腳均采用固接，荷載除鋼骨架自重外，還考慮了臨時施工荷載。通過模擬計算鋼骨架拱肋的吊裝過程，確保整個結構的安全性和穩定性[5]。全橋各部件單元選擇與材料特性見表2。

2.2 扣索張力分析

扣索張力采用正裝迭代法計算。計算結果如下：兩岸單肋單根扣索在各施工階段張力見表3～4：

在實際施工中，由于施工條件影響，尾索及扣索的水平力總存在一定差值，按照《公路橋涵施工規范》要求，塔腳鉸接的支架，塔頂偏位不得大于l/150（l為塔高），對該橋吊裝索塔而言，其偏位應控制在±0.203 m內[6]。根據計算，索塔容許水平力極限差值為25.2 t。

2.3 骨架應力分析

南充岸吊裝階段最大應力出現在吊裝第六段，鋼結構最大壓應力出現在拱腳下弦桿位置，最大壓應力為80.11 MPa，最大拉應力出現在拱腳上弦桿位置，最大拉應力為44.73 MPa。圖2為南充岸第6節段。

廣元岸吊裝階段最大應力出現在吊裝第六段，鋼結構出現在拱腳下弦桿位置，最大壓應力為81.44 MPa，出現在拱腳上弦桿位置，最大拉應力為43.97 MPa。圖3為廣元岸第6節段。

以上結果表明，單肋吊裝時鋼管骨架應力均小于《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》上規定的Q345鋼的抗壓軸向容許應力[σ]=200 MPa和剪切容許應力[τ]=120 MPa，滿足強度要求。

2.4 錨索計算

根據錨索張力水平力與扣索張力水平力相等原則（方向相反），計算出各施工階段全橋兩岸錨索張力見表5。

2.5 扣索系統靜陣風載計算

為了評估陣風荷載對扣索系統的影響，特采用通用有限元程序Midas對吊裝系統的結構受力進行了分析。以該橋施工過程中的最大懸臂狀態（即吊裝第6#扣段后），并考慮了橫橋向的計算風壓。通過這一分析，研究了拱肋勁性骨架在該荷載（橫橋向）作用下的強度和變形情況，以評估扣鎖系統的安全性和穩定性。拱肋勁性骨架的計算如下：

W橫=K0K1K2K3K5W0 （1）

式中，W橫——橫向風壓；K0——設計風速重現期換算系數，K0=1.0；K1——風載阻力系數，K1=1.1；K2——考慮地面粗糙度類別和梯度風的風速高度變化修正系數，K2=1.48；K3——地形、地理條件系數，K3=1.4；K5——陣風風速系數，K5=1.38；W0——基本風壓，W0=0.35 kN/m2（根據蘭州至海口高速公路廣元至南充段兩階段施工設計圖數據）。

W縱=0.4W橫 （2）

將參數代入公式（1）（2）中，有

W橫=K0K1K2K3K5W0

=1.0×1.1×1.48×1.4×1.38×350=1 100.85 Pa

W縱=0.4W橫=0.4×1 100.85=440.34 Pa

圖4為吊裝系統靜陣風載計算模型圖。在最大懸臂狀態（吊裝第6#扣段后）橫向靜陣風載作用下，其最大壓應力為182.78 MPa，最大拉應力為160.13 MPa，橫橋向最大剪應力7.07 MPa。未拉浪風索的條件下，最大懸臂狀態（吊裝第6#扣段后）橫向靜陣風載作用下橫向偏位dy=0.541 2 m。考慮到強度及其對拱肋合攏影響，所以建議設計布置浪風索。

以上結果表明，單肋吊裝時鋼管骨架應力均小于《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》上規定的Q345鋼的軸向容許應力[σ]=200 MPa和剪切容許應力[τ]=120 MPa，滿足要求。

3 結論

該文以昭化嘉陵江特大橋為研究背景，利用大型有限元軟件Midas對其扣索系統進行了仿真分析。通過分析扣索系統的各項參數和受力情況，得出以下結論：在施工過程中，需要考慮扣索系統的張力、應力和靜陣風荷載，并采取相應的措施來防范潛在問題。該文的研究，為昭化嘉陵江特大橋的扣索系統施工提供了一定的理論基礎和技術支持，對于確保橋梁施工質量和工程安全具有重要的指導作用。

參考文獻

[1]王曉棠. 纜索吊裝系統索塔結構設計探討[J]. 城市建筑， 2020（9）： 156-157+160.

[2]劉增武， 周建庭， 吳月星. 大跨懸澆鋼筋混凝土拱橋施工扣索力優化計算分析[J]. 交通科技， 2020（1）： 1-6.

[3]李衛， 侯圣均， 陳全勝. 云南紅河特大橋加勁梁施工方案研究[J]. 世界橋梁， 2020（2）： 40-44.

[4]夏祥斗. 梅溪河特大橋鋼拱肋吊裝施工扣索索力計算[J]. 施工技術， 2020（9）： 85-88.

[5]劉新華， 李秋， 彭元誠， 等. 湖北云南莊特大橋設計關鍵技術[J]. 中外公路， 2021（1）： 112-116.

[6]徐金華， 楊磊. 兩河口特大橋纜索吊裝系統設計與分析[J]. 北方交通， 2019（1）： 27-31.