鋼管混凝土拱橋吊裝過程拱肋線形影響因素分析

陸勇

(重慶交通大學，重慶400074)

鋼管混凝土拱橋吊裝過程拱肋線形影響因素分析

陸勇

(重慶交通大學，重慶400074)

用纜索吊裝斜拉扣掛法施工的鋼管混凝土拱橋是一種預制拼裝自架設結構。在拱肋吊裝階段最為關鍵的就是拱肋吊裝時的線形控制。通過分析拱肋在吊裝階段由于實際吊裝溫度與設計溫度不一致導致的系統溫差、扣塔偏位、拱上臨時荷載對拱肋控制線形的影響，并且提出系統溫差在吊裝過程中的修正方法。研究表明控制和減小扣塔偏位和拱上臨時荷載，可減小吊裝節段對拱肋控制線形的影響，提高拱肋吊裝的吊裝精度。

鋼管混凝土拱橋；控制線形；系統溫差；扣塔偏位；臨時荷載；影響因數

前言

鋼管混凝土拱橋以其強度高、造價低、架設輕便、造型優美等一系列優點，近年在我國得到快速的發展。目前大跨度鋼管混凝土拱橋，通常采用無支架纜索吊裝斜拉扣掛法施工[1]。在施工過程中，最為關鍵的就是拱肋吊裝時的線形控制[2-3]。拱肋吊裝過程線形受吊裝時拱肋安裝精度、吊裝過程中的溫度[4]、扣塔偏位[5]、扣索松弛、拱上臨時荷載等因素的相互影響。由于各因素相互影響，進行整體的影響分析較為困難，難以得到理想的結果；而且鋼管混凝土拱橋在施工時采用預制切線拼裝，在吊裝過程中較小的誤差將導致后期線行的較大變化。而進行各因素影響的獨立分析，減小各影響因素對拱肋施工時線形的影響較為簡單方便，同時也可以提高拱肋施工時的吊裝精度。

1 拱肋吊裝控制線形

對于鋼管拱混凝土拱橋在施工過程中存在三種線形[2-3]：理想成拱線形、制造線形和控制線形。制造線形是指采用預制拼裝方法施工的結構在制造過程中無應力狀態下的線形，一般是在設計線形上加上預拱度后得到的，以此作為制造的標準。理想成拱線形，就是指一次成拱時的裸拱計算拱軸線，即：理想成拱線形=制造線形(設計線形+預拱度)—空鋼管無鉸拱自重（一次成拱）撓度曲線。控制線形是指在施工各階段，已施工節段各點之間連接而成的幾何形狀，這是一個動態線形，其最終目標是達到成拱線形。而由于在拱肋吊裝過程中實際溫度與設計溫度的不同，吊裝過程中的誤差，在拱肋合攏后拆除扣索，由于扣索引起的彈性變形恢復的影響，需要在各施工階段對各節段標高進行修正。據此可以得出在各節段合理的控制標高[2-3]計算如下：

2 工程概況

浙江烏溪江大橋為在建上乘式鋼管混凝土拱橋，設計標準采用二級公路雙向雙車道的技術標準，設計速度為60 km／h。主拱計算跨徑為260 m，矢跨比采用1/4.7，主拱矢高為55.319 m。拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為1.756。主拱在兩岸采用斜拉扣掛體系進行節段拼裝，每根拱肋分為17個節段預制吊裝，全橋共34個節段。每半跨拱肋有8個節段，跨中為合攏段。兩岸從拱腳對稱進行節段吊裝，最后進行合攏段吊裝，扣掛系統布置圖如圖1所示。

圖1 烏溪江大橋扣掛系統布置圖

3 拱肋吊裝過程線形影響分析

為了分析吊裝過程中，由于實際溫度與設計溫度的不同導致的系統溫差引起的控制標高的變化，以及扣塔偏位和拱上施工用的臨時荷載對拱肋控制線形的影響，采用大型有限元通用軟件Midas/ Civil對烏溪江大橋進行建模計算分析。計算模型共建立3106個節點、128個只受拉桁架單元及5288個梁單元，其中扣索及錨索采用只受拉桁架單元模擬，其余采用梁單元模擬，計算模型見圖2所示。

圖2 有限元計算模型

3.1 吊裝過程實際溫度影響

溫度變化對鋼管混凝土拱橋的受力與變形有較大的影響。特別是在拱肋吊裝階段不均勻溫度場、日照溫差和系統溫差，都將對拱肋吊裝階段拱肋控制線形有較大的影響。不均勻溫度場和日照溫差的影響，可以通過選擇控制吊裝時間段的選取來規避，吊裝時選擇早晨或者傍晚溫度較為穩定的時間段，且無日照，這樣就能最大程度減小不均勻溫度場和日照溫差帶來的影響。而系統溫差是由于吊裝時的溫度與設計合攏溫度存在差異導致的，在每個吊裝階段由于系統溫差的影響，將導致節段吊裝控制標高的變化[4]。同時由于拱肋采用預制切線拼裝進行施工，在吊裝過程中前面節段較小的誤差，將導致后期線形的較大誤差，如果仍以理論安裝標高控制拱肋的線形，則將導致拱肋控制線形的偏差。

在拱肋吊裝階段，結構處于線彈性范圍，在同一個階段結構幾何體系相同，系統溫差影響呈線性關系。所以下面計算烏溪江大橋每個吊裝節段由于系統溫差-10°對拱肋節段控制點標高和里程的影響，見表1。

表1 拱肋吊裝各階段系統溫度影響值/mm

從上述分析結果可以看出，系統溫差對拱肋控制點高程和里程的影響，隨著懸臂長度的增加（吊裝節段的增加），影響增大，特別是對里程的影響。而在同一階段，由于結構處于線彈性，系統溫差呈線性關系，隨著系統溫差的增大，影響也隨之增大。所以系統溫差的影響應在實際吊裝過程中進行修正。

結構的安裝高程是以結構的設計溫度時的設計線形為基準的，因此需要根據設計溫度對拱肋的安裝標高進行修正。系統溫度修正方法如下：

（1）確定一個設計溫度T。

（2）以每個吊裝階段為計算修正工況，計算降溫10°或者升溫10°各吊裝階段對應的節段控制點標高變化量ΔZ和里程的變化量ΔX。

（3）現場對拱肋進行精確定位時的溫度T1。則系統溫差ΔT=T1-T。

3.2 吊裝過程中扣塔偏位影響

鋼管混凝土拱橋在拱肋吊裝階段，拱腳處于鉸接狀態，拱肋在扣索的作用下結構為多點彈性支撐的超靜定結構。在拱肋的吊裝階段，由于扣索和背索會存在不平衡的水平分力，這部分水平分力將會由扣塔承擔，此外為了減小扣塔不利的內力，扣塔塔腳通常設置為鉸接，此時扣塔在這部分水平分力的作用下會產生一定的偏位。由于扣塔的偏位將導致拱肋控制線形的變化[5]。

在吊裝階段，結構處于線彈性范圍，在同一吊裝階段，塔偏的影響呈線性變化。所以下面對烏溪江大橋在每個吊裝階段對應扣塔向江心偏1 cm對節段控制點標高的影響分析，見表2。

表2 拱肋吊裝各階段塔偏影響值/mm

吊裝節段6吊裝節段7吊裝節段86.01 6.11 6.43-9.91 -11.11 -13.08

從上述分析結果可知，扣塔偏位對拱肋節段控制點里程和標高影響隨著懸臂長度的增加影響也隨之增大。而在第五節段后對標高影響達到1 cm，如果在吊裝階段不對扣塔偏位進行控制，將對拱肋的控制線形造成較大的影響。

所以在拱肋吊裝過程中應進行扣塔偏位的控制。可以通過以下方法控制吊裝過程中的塔偏：

（1）理論計算階段將扣塔同時考慮進入理論模型計算當中，在拱肋控制線形達到計算要求同時，保證扣塔偏位較小。這時可以計算出同時滿足拱肋控制線形和扣塔偏位的扣索和背索索力。

（2）按照第一步計算出的扣索和背索索力進行實際現場拱肋吊裝的控制，在吊裝過程中嚴格控制扣索和背索張拉的同步性，減小在張拉過程中造成的扣索和背索的不平衡水平分力。

（3）在扣塔安裝時調節扣塔的浪風索，保證此時扣塔安裝豎直，使浪風索有一定的初張力，增大扣塔在吊裝過程中的穩定性。

3.3 吊裝過程中拱上臨時荷載影響

在橋梁施工中，由于場地和環境的限制，大多施工所用的施工機械、材料和設備都存放于已建成的結構上。在鋼管混凝土拱橋吊裝階段，用于拱肋的焊接設備、材料和氧氣瓶等施工臨時用設備都存放于已吊裝的節段上。鋼管混凝凝土拱橋在吊裝階段主要由扣索和扣塔承擔荷載，結構的剛度較小，對荷載較為敏感。過多的臨時荷載將會對拱肋的控制線行和扣索索力造成影響。而當臨時荷載位置越接近拱肋的節段端頭影響越大。下面對烏溪江大橋在吊裝階段，在已吊裝拱肋節段端頭施加2 t的臨時荷載，分析各吊裝階段臨時荷載對拱肋控制線形和扣索索力的影響分析，見表3與表4。

表3 拱肋吊裝各階段臨時荷載影響值/mm

表4 拱肋吊裝各階段臨時荷載扣索影響值/t

從上述分析結果可知，在第八節段（最大懸臂狀態）對標高影響接近1 cm，臨時荷載對拱肋節段控制點標高影響，隨著懸臂長度的增加影響也隨之增大。而在拱肋吊裝階段結構處于線彈性，臨時荷載的影響會隨著臨時荷載的增加而增大。同時臨時荷載對扣索索力和拱肋里程的的影響較小，索力影響均小于5%。臨時荷載對拱肋控制線形的影響較為明顯。

而在實際施工過程中，拱肋上堆放的臨時荷載實際情況是有限的，臨時荷載可以進行人為的控制的。所以拱肋上臨時荷載對扣索索力的變化和拱肋里程的變化，是可以忽略不計的，而拱肋上臨時荷載對拱肋線形的影響，可以在吊裝前對需要存放拱肋上的臨時荷載進行一個統計，然后對其影響直接進行拱肋控制點標高的修正。臨時荷載對拱肋控制點標高的影響修正如下：

（1）統計將要存放于拱肋上的臨時荷載G。

（2）以每個吊裝階段為計算修正工況，計算臨時荷載1t對應的節段控制點標高變化量ΔZ。

（3）根據實際臨時荷載控制點標高修正量

4 結論

鋼管混凝土拱橋在吊裝過程中采用預制切線拼裝的方法，前面節段較小的誤差將對后面節段和拱肋線形造成明顯的影響。而對吊裝過程中各影響因數進行獨立的分析，修正各影響因數對拱肋吊裝控制線形的影響較為簡單和方便。而在拱肋吊裝過程中，拱肋的線形控制主要是通過拱肋控制點的標高和里程進行拱肋的精確定位，而對于系統溫差和臨時荷載的影響修正，直接在拱肋控制點的標高和里程進行修正。這樣可以最大程度的修正和減小各影響因數對拱肋吊裝線形的影響，提高拱肋的吊裝精度。

注釋及參考文獻：

[1]周水興．浙江三門健跳大橋拱肋安裝與施工控制計算[J]．重慶交通學院學報,2002(2)：1-5．

[2]郝聶冰,張雪松,唐鵬勝,等．大跨徑鋼管混凝土拱橋吊裝線形控制方法研究[J]．中外公路，2013(3)：131-134．

[3]姚昌榮,李亞東．鋼管混凝土拱橋線形控制技術研究[J]．公路交通科技,2006(10)：65-69．

[4]杜紅田,張明中．鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程中溫度變化對拱肋線形的影響[J]．鐵道標準設計，2008(3)：91-93．

[5]鄧江明．纜索吊裝扣塔偏位對拱肋高程影響的幾何分析[J]．重慶交通大學學報（自然科學版），2009(3)：505-507．

Analysis on the Influence Factors of Arch RibAlignment in Concrete Filled Steel TubeArch Bridge during Hoisting Process

LU Yong
(Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)

The concrete filled steel tube arch bridge that applies cable hoisting cable hanging method to construct is a kind of self-erection structure of precast structure.During the phase of hoisting process,the most pivotal thing is the line form control.By analyzing the influence of system temperature,buckle tower deviation and temporary load on arch on arch rib line form control caused by the inconsistency between actual hoisting temperature and design temperature during the phase of hoisting process;and puts forward the correction method of system temperature difference during the phase of hoisting process.The research shows that controlling and reducing the buckle tower deviation and temporary load on arch can reduce the influence on arch rib line form control during the phase of hoisting process and then enhance the hoisting precision.

concrete filled steel tube arch bridge;control line form;system temperature difference;buckle tower deviation;temporary load;influence factor

U445.4；U448.22

A

1673-1891（2015）03-0024-04

2015-06-11

陸勇（1991-），男，碩士研究生，研究方向：為大跨徑橋梁設計理論。