超高矢跨比拱橋拱肋吊裝穩定性分析*

王 林 邢朝偉 王 芳

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院 鎮江 212003)

超高矢跨比拱橋拱肋吊裝穩定性分析*

王 林 邢朝偉 王 芳

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院 鎮江 212003)

在考慮風荷載和溫度荷載作用下,通過3種吊裝方案對比分析研究拱肋的穩定性.結果顯示,在施工中溫度荷載對穩定性影響很小，而風荷載影響較大，方案3整體翻轉吊裝最為安全.最后對方案3中翻轉提升支架穩定性進行分析，結構表明，滿足施工安全穩定要求.

穩定性；風荷載；溫度荷載；施工方案; 支架

隨著鋼箱拱橋矢跨比的增大、結構的纖細，拱肋的穩定性成為了制約拱橋跨徑進一步增大和拱橋美觀的最重要因素之一[1-2].在工程實際中, 對已發生的拱橋事故調查表明, 事故大多發生在拱橋的施工過程中, 尤其是以拱肋在施工過程中的失穩最為突出[3-4].在橋梁施工過程中, 橋跨結構體系受力關系的不斷轉換, 整體承載力尚未達到設計水平[5-7];鋼箱拱橋自重輕，且施工工況不同于設計承載工況，結構處于未完成階段，與成型結構相比剛度小，尤其在風荷載和溫度荷載作用下，相對易發生失穩.因此，施工前必須做好方案設計，保證穩定性，安全施工.

1 算 例

1.1 工程概況

某大橋采用5跨連續中承式提籃拱橋，主橋共設置3孔拱肋，單孔2片拱肋間設置異性風撐，拱肋采用矩形拱肋鋼箱截面，K10孔拱和K12孔拱為單箱單室斷面，K11孔拱為單箱雙室斷面，拱肋為全鋼焊結構，材質為Q345qE.見圖1.

圖1 整體效果圖

本文主要研究K11孔拱的起吊，高度67 m, 凈度130 m，矢跨比為1/1.940，拱肋鋼箱高度3.5 m、寬3.8 m；頂、底板厚20 mm，腹板厚20 mm，拱肋在近拱腳位置局部頂板、底板、腹板加厚至30 mm，內部設置縱、橫向加勁鋼板和普通橫隔板，在風撐對應位置，拱肋內部設置風撐橫隔板.縱向加勁鋼板厚16 mm.橫向加勁鋼板及橫隔板在順橋向的間距基本為1 500 mm、厚16 mm.有吊桿通過位置采用豎直布置的橫隔板，厚25 mm.采用有限元軟件Midas/civil模擬計算，共建節點2 586，梁單元30 339，吊索采用GB/T8918—1996《鋼絲繩》中6×19-Φ32-1770型鋼絲繩，其技術參數如表1.

表1 鋼絲繩的技術參數

該工程施工難度大，地理位置復雜，環境惡劣，重量大，風速大，在施工中應當適時監控，對吊點，扣點，薄弱部位.

1.2 穩定系數

在拱橋施工和運營過程中，穩定系數是一項重要指數，現在通用的計算方法有

KU+KGU=P

式中:K為結構的彈性剛度矩陣；KG為結構的幾何剛度矩陣；U為結構的節點位移向量；P為結構的外力向量.

當荷載不斷增加，則結構位移會增大，小變形情況下，P增加λ倍時，幾何剛度矩陣及桿端力增加λ倍，故

(K+λKG)U=λP

當λ足夠大時結構達到隨遇平衡狀態(即當U=U+ΔU)上述公式滿足

(K+λKG)(U+ΔU)=λP

同時滿足以上2式的條件為：

(K+λKG)ΔU=0

該方程說明存在某個λ和相應的ΔU，荷載P為零時也能產生位移ΔU，這時結構失去了抵抗能力，也就喪失了穩定性.由ΔU有非零解得到：

|K+λKG|=0

上式為結構穩定問題的控制方程(特征值方程)，對應的穩定荷載為λP.當結構有n個自由度則有n個特征值，且最小的特征值λcr表示，即穩定系數

當λ>0時結構處于穩定狀態，當λ=0時結構處于臨界狀態，當λ<0時結構處于失穩狀態.

1.3 鋼箱拱肋吊裝方案

1.3.1 方案1 在橋址地面進行拱肋組合拼裝(拱肋結構中心線與橋梁中心線重合)，成拱后垂直提升，在拱腳處設置合攏段與V型橋墩的預埋段焊接；鋼箱拱肋安裝施工流程如下.

橋位正下方地面進行場地硬化、胎架搭設；各拱肋節段運輸到安裝橋位后在胎架上節段臥拼成1/4拱，并進行焊接.

1) 組裝提升塔架，翻轉拱肋，并調整好偏轉角度，把臥拼好的1/4拱肋立轉至102.8°位置,并組裝焊接橫撐成1/2拱，此過程的穩定系數見圖2，并在拱肋腳部各布置一臺滑移小車，小車由卷揚機牽引，隨拱肋提升內收.

2) 緩慢提升拱肋吊點高度，同時卷揚機牽引拱肋末端滑移.直至拱肋對接合攏，并完成拱肋、橫撐合龍部位焊接，該過程的穩定性系數變化值見表2(Θ為拱頂拱角連線與水平面夾角).

3) 轉換提升支架(拆除中間塔架，在拱腳四角位置安裝4組塔架)，拆除拱腳部位滑移小車，然后進行緩慢提升.

4) 整體提升至V形橋墩位置，調整拱腳偏差，將拱腳與V形橋墩的預埋段焊接，然后拆除塔架等設備，拱肋補涂，安裝完成，整體起吊時穩定系數見圖3.

圖2 1/4拱肋的翻轉時的穩定性

圖3 整體拱肋起吊時的穩定系數

工況Θ/(°)01020起立后合并后自重+風載+溫度荷載5.4184.7453.7813.4113.3813.504自重+風荷載7.1794.7943.8193,4523.443.445自重+溫度荷載5.5915.6725.7685.8465.9147.187

1.3.2 方案2 在橋梁中心線附近選擇合理的塔架搭設位置，搭設一次性塔架(提升塔架的位置應滿足能進行第一次將拱肋提升到準確的中間對接狀態，又能完成中間對接后將拱肋提升到安裝高度).在橋位地面進行進行1/2拱肋組拼(拱肋結構中心線與橋梁中心線重合)，將1/2拱肋垂直提升到設計高度，對拱肋、橫撐合龍部位進行焊接，最后進行整拱提升，其余階段施工流程均同方案一.此過程的穩定系數分別見圖4、表3、圖5.

圖4 1/4拱肋翻轉時的穩定系數

圖5 整體拱肋起吊的穩定系數

工況Θ/(°)0102030起立后合并后 自重+風載+溫度荷載0.48220.49200.4430.48220.69273.232自重+風荷載0.48230.49230.4430.48230.69293.238自重+溫度荷載6.09905.41005.4005.20105.10409.952

1.3.3 方案3 在橋位地面進行單片拱肋整體組拼(拱腳位于V形墩斜腿頂面正下方).同時，在相鄰2 V形墩中線上搭設2個一次性塔架，待單片拱肋焊接成型后通過塔架將兩側單片拱肋翻轉至設計斜平面內(即均與水平面呈12.8°)，對拱肋、橫撐合攏部位進行焊接.最后進行整體垂直提升，在拱腳處設置合攏段與V形橋墩的預埋段焊接.施工方案比選，見表4.

表4 施工方案比選

1) 橋位正下方地面進行場地硬化、胎架搭設；各拱肋節段運輸到安裝橋位后在胎架上節段臥拼成1/2拱，并進行焊接.

2) 通過塔架將兩側單片拱肋翻轉至設計斜平面內(即均與水平面呈12.8°位置).此時拱肋的穩定系數見圖6.

3) 對拱肋、橫撐合龍部位進行焊接，使兩片拱肋連成整體.

4) 通過塔架利用吊索將焊接風撐后的拱肋結構進行整體提升，直至拱腳提升到V形橋墩位置.此過程的穩定系數變化如圖7.

5) 調整拱腳偏差，將拱腳與V形橋墩的預埋段焊接，然后拆除塔架等設備，拱肋補涂，安裝完成.

圖6 1/2拱肋翻轉時穩定系數

圖7 整體起吊時拱肋時穩定系數

2 整體提升起吊支架的穩定性分析

本提升支架采用常備萬能桿件拼裝焊接雙柱門式塔結構，南、北岸支架總高度為110 m.寬度為7 m，支架中心距9 m主柱中心采用常備式萬能桿件為共有節點834，單元3 875，柱子采用Q235圓管鋼直徑為0.5 m壁厚為0.05 m，柱子之間采用斜撐HW244×252，橫梁采用HW344×348，風纜索采用直徑為19 mm的鋼絲繩，在橫向聯系梁中上弦桿采用Q345HN692×300，橫向聯系梁中的腹桿采用LH450×250.

在拱肋整體提升時，南、北兩岸提升支架頂部各設2臺5 000 kN千斤頂，1臺40 L/ min流量的液壓泵站，同時配備1臺長距離傳感器和1臺長行程傳感器，為了測定提升結構各點的高程，同時在每個千斤頂的下端安裝安全錨，為了保證在翻轉過程中千斤頂發生故障時，臨時錨固吊索，方便維修或者更換千斤頂.

圖8 拱肋提升支架模型

當拱肋整體提升時，支架頂部承受施工時的施工中整體荷載包括機械重力、施工荷載、拱肋的整體整重力荷載和風荷載.由于在施工中溫度荷載對整體提升支架影響較小，可以忽略不計，施工的施工中的提升支架荷載工況共分為：(1) 工況一.支架在搭建完成后只承受自重影響，自重;(2) 工況二.支架搭建完成后，受到風荷載影響，自重+風荷載;(3) 工況三.拱肋正常整體起吊施工，吊索受到的拉力為施工荷載作用在支架頂部，自重+風荷載+施工中整體荷載;(4) 工況四.自重+縱向風荷載;(5) 工況五.自重+縱向風荷載+施工中整體荷載.在不同的荷載施工下,本文采用前四階的穩定系數值作為施工參考值，五種工況下最小穩定系數應采用,見表5.

表5 支架各個工況下的穩定系數

3 結 束 語

1) 根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)：對于拱肋寬跨比小于1/20的拱橋，必須進行施工及成拱階段拱的面內、面外穩定承載力驗算，對于大跨度拱橋和無支架施工的拱橋，規定拱肋穩定系數K>4，在以上3種方案中，方案3相對于其他方案穩定系數比較容易保證，且最小為6.3 ，而方案1最小穩定系數為1.41，方案2最小穩定系數為0.37，方案3穩定系數最大，且滿足規范要求，故選用方案3為施工方案.

2) 從3種方案對比可知，風荷載對施工的穩定性起到很大的作用，其中在最小穩定系數時，考慮風荷載時為6.3，不考慮時是21.57，相差3.42倍，溫度荷載則對穩定性影響較小.

3) 整體翻轉方案經濟，穩定性好，容易施工.

4) 在整體提升支架施工時，穩定系數最小值為4.61，支架的穩定滿足施工規范要求.

[1]程 進,江見鯨.肖汝誠.等.大跨度拱橋極限承載力的參數研究[J].中國公路學報,2003(2)：45-47.

[2]顏全勝,李立軍.大跨度鋼管混凝土拱橋的非線性空氣靜力穩定性[J].華南理工大學學報:自然科學版,2005,33(12):87-91：97-91.

[3]趙 雷,卜一之.大跨度拱橋施工穩定性的時變力學分析[J].鐵道學報,2000,22(5):55-59.：

[4]顏全勝,韓大建.解放大橋鋼管混凝土系桿拱橋的非線性穩定[J].華南理工大學學報,1999,27(11):98-103.

[5]程 進,江見鯨,肖汝誠,等.靜風荷載作用下大跨度鋼拱橋極限承載力分析[J].計算力學學報,2003(8).417-422.

[6]顏全勝，駱寧安.丫髻沙大橋主橋非線性分析[J].鐵道標準設計，2001(6)：55-58.

[7]顏全勝，駱寧安，韓大建，等.大跨度拱橋的非線性與穩定分析[J].華南理工大學學報：自然科學版，2000(6)：47-51.

Stability Analysis of Ultra-high Rise-span Ratio to Arch Bridge Ribs Hoisting

WANG Lin XING Chaowei WANG Fang

(SchoolofArchitecturalandCivilEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China)

Based on the comparison and analysis of arch rib stability considering the temperature loads and wind loads in three hoisting plans,the results show that the influence of temperature loads on stability is small and the influence of wind is bigger, the third plan that overall flip lifting program is the safest. Finally, the stability of bracket is analyzed when enhancing the overall of the third program and the result shows that it meets the requirements of construction safety and stability.

stability;wind loads;temperature loads;hoisting plans; bracket

2015-03-10

*江蘇省產學研聯合創新項目資助(批準號：BY2012182)

U488

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.011

王林(1963- )：男，博士，教授，主要研究領域為結構工程