拱橋斜拉扣掛系統高效拆除技術研究★

陳澤彬，周弟松

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

拱橋結構合理、承載能力強、耐久性好、剛度是懸索橋和斜拉橋的幾倍到十幾倍,維護費用低,在適宜條件下具有顯著的技術經濟性[1-3]。拱橋施工主要有支架法[4-6]、轉體法[7]、整體吊裝法[8]、纜索吊運斜拉扣掛法[9-10]等,其中大跨徑拱橋多采用纜索吊運斜拉扣掛施工技術。隨著拱橋跨徑的增大,其斜拉扣掛系統數量也越來越繁多,采用傳統方法拆除斜拉扣掛扣索系統導致拱橋合龍后拆索工作量較大。

現有的拱橋斜拉扣掛系統拆除多采用扣索逐級卸載的方式,通過將拱圈斜拉扣掛系統由下而上依次循環卸載扣索,每次將扣索卸載10 kN,直至各扣索索力變為零。該施工工藝原理簡單、思路清晰,但是由于拱圈斜拉扣掛系統數量繁多、各扣索間距較密集,導致實際操作過程中施工量大、耗時久。基于此,文獻[11]提出了將斜拉扣掛系統部分扣索在拱圈合龍之前拆除,節約了施工工期,提高了施工效率。但是由于拱圈在合龍前處于懸臂狀態,提前拆索施工風險較大,且容易影響拱圈的合龍精度。基于此,一種更加快捷、安全的扣索系統拆除方法有待進一步研究。

本文根據拆除側纜風繩的施工階段和拆除斜拉扣掛系統最后一道扣索施工階段的線形交點,然后結合拆除交點前各扣索和交點后各扣索對拱圈線形的影響規律,選擇幾種拆索順序,再從拱圈線形、扣索索力和拱圈應力三個方面進行對比分析,從而提出一種最優的扣索拆除方案。

1 工程概況

1.1 設計概況

如圖1所示,某大跨徑中承式鋼管混凝土拱橋主拱圈跨徑為528 m,拱軸線采用高次拋物線,矢高為123.25 m。拱肋截面為四管桁式格構式截面形式,拱腳至拱頂截面高度由15.7 m漸變至7.9 m,管內采用C60自密實補償收縮混凝土。橋面系以上拱肋的橫向連接采用“X”型撐,橋面系以下的拱肋連接采用“K”型撐和“X”型撐連接。

1.2 斜拉扣掛總體布置

纜索吊運系統跨徑布置為(434.73+680.52+319.01) m,塔架采用“吊扣合一”裝配式重型鋼管塔架,拱圈由兩片拱肋通過橫聯連接成整體,每一片拱肋由18個節段連接而成,全橋合計36個拱肋節段。拱肋最大節段質量212.8 t,充分考慮安全系數,纜索吊運系統最大吊裝質量為220 t,主索系統為兩套。斜拉扣掛系統布置圖如圖2所示。

2 斜拉扣掛系統扣索拆除

拱圈合龍后,接著拆除拱橋側纜風繩,然后再進行拱橋斜拉扣掛系統扣索拆除施工,以單片拱肋單跨拱肋結構各控制點線形為分析對象,當按照1號→2號→3號→4號→5號→6號→7號→8號→9號的順序拆除扣索,線形如圖3所示。

由圖3(a)可知,隨著各扣索拆除過程,B106控制點線形變化很小,較拆除扣索前,位移變化控制在50 mm以內,可將該控制點視為“鈍點”,該鈍點接近1/4跨徑的位置。另一方面,也可以看出,各扣索拆除過程中,B102—B105控制點下撓,B107—B109控制點位移向上抬,二者呈現出相反的變化規律。此外,由圖3(b)可知,在拆除扣索過程中,較多的控制點跳出了B101和B109的包絡線以外,表征拆索過程中將產生一定的附加變形和內力,從而影響施工安全。基于此,需合理選擇拆索順序,從而保障拆索施工過程中安全、高效。

2.1 原拆索方案及存在的問題

為確保斜拉扣掛系統拆索過程中的安全問題,多通過將斜拉扣掛系統各扣索由下而上依次循環卸載,采用逐級卸載的方式(通常每次逐級卸載為10 kN),直至各扣索索力為零。就本工程項目而言,主跨528 m的鋼管拱橋,全橋斜拉扣掛系統扣索達200多根,每根扣索達700 kN～900 kN,每次卸載10 kN,施工工作量非常大。

2.2 斜拉扣掛系統高效拆除方法

根據圖3(b)所示,拱圈斜拉扣掛系統拆除過程中,以6號扣索為分界線,拆除扣索1號—5號拱圈各控制點位移變化與拆除扣索7號—9號規律相反,即可采用從拱腳到l/4和l/4到拱頂交替一次拆除扣索可實現拆索過程中線形補償。基于此,可通過將扣索1號—5號與扣索7號—9號交替拆除,以實現斜拉扣掛系統拆除過程中線形補償,防止施工過程中由于拱圈線形變化過大而導致的施工風險。根據拆索方案的不同,這里對1→2→3→7→4→5→8→9→6(方案一)、1→2→3→9→4→5→7→8→6(方案二)和1→2→9→3→4→8→5→7→6(方案三)三種不同的拆除扣索方案進行計算分析,從拱圈線形、索力和拱圈應力三個方面優選出最優的拆索順序。

3 各拆索方案對比與分析

3.1 線形

由圖4可知,以拆除側纜風繩線形為參考線形,拆除扣索1號對拱圈線形影響很小。因此,拆索過程中各控制點安全程度可由拆除側纜風繩和拆除最后一道扣索所形成的包絡圖為參考基準,當施工過程中各控制點線形偏離這個包絡圖越遠,表征施工過程中附加變形和內力就越大,施工過程中就越不安全。基于此,由圖4可知,方案一中B107—B109控制點偏離包絡圖有一定距離,最大偏差為拆除5號扣索時,B109偏離包絡圖達40 mm以上,具有一定的施工風險。方案三中,也存在偏離包絡圖的情況,其中拆除9號扣索時,B109偏離包絡圖約30 mm,同樣具有一定的風險。方案二中施工過程中各控制點施工線形始終處于包絡圖以內,為三種拆索方案中最合理線形。

3.2 索力

進一步地,對拆索過程中各扣索索力變化進行對比分析。由圖5可知,整個斜拉扣掛系統扣索拆除過程中,各扣索索力值變化很小,表征本文提出的從拱腳到“鈍點”和“鈍點”到拱頂交替逐根拆除扣索的快速拆索方法具有良好的索力均勻度,扣索逐根拆除施工過程中風險較小、安全性好。此外,也進一步表明了以“鈍點”為基準點的不同組合交替拆索順序對索力均勻性影響比較小,均具有良好的索力均勻性。

3.3 應力

拱圈主拱肋采用Q420鋼材,其余桿件采用Q355,為確保拆索過程中拱圈的施工安全性,對拱圈應力進行計算分析,計算結果見圖6。

由圖6所示,拱圈斜拉扣掛系統扣索拆除過程中,結構最大組合應力和最大軸向應力分別控制在165 MPa和80 MPa以內,均處于線彈性受力階段,較材料允許強度均有較大的安全富余,表征本文提出的從拱腳到“鈍點”和“鈍點”到拱頂交替逐根拆除扣索的快速拆索方法具有拱圈應力小、施工過程中風險較小、安全性好等優點。此外,也進一步表明了以“鈍點”為基準點的不同組合交替拆索順序對拱圈應力影響比較小,均具有良好的施工安全性。此外,在整個斜拉扣掛系統扣索拆除過程中,拱圈應力變化較小,拱圈安全性較好。再者,拆索過程中,組合應力約為軸向應力的兩倍,表征結構各構件以壓彎為主。

4 結語

以主跨528 m中承式鋼管混凝土拱橋為工程依托,針對拱圈斜拉扣掛系統扣索繁多、拆索工作量大的現狀,提出扣索系統按照一定的順序逐根拆除的高效拆除方法。為確定最優的扣索拆除方法,從拱圈線形、索力和最大應力三個方面對三種不同的扣索拆除順序進行對比分析,計算結論如下:

1)就線形而言,拱圈斜拉扣掛系統扣索不同的拆索順序對線形影響較大,其中,方案二“1→2→3→9→4→5→7→8→6”拆索順序線形效果最好,拆索過程中各控制點基本上處于拆除側纜風繩和拱圈扣索全部拆除兩個施工階段所形成的包絡圖以內,施工安全性較好。

2)斜拉扣掛系統扣索拆除過程中,各拆索方案扣索力差異很小,而且拆索過程中各扣索力變化均很小,無明顯突變情況,施工安全性較好。

3)拱圈斜拉扣掛系統扣索拆索過程中,拱圈軸向應力和組合應力變化幅度分別控制在20 MPa和10 MPa以內,變化幅度較小,施工安全性較好。此外,計算表明不同的扣索拆索順序對拱圈應力影響很小,結構始終處于彈性狀態。再者,根據軸向應力和組合應力的計算對比也進一步表明了拱圈構件以壓彎為主。