拱橋纜索吊裝扣塔偏位對拱肋節(jié)段安裝的影響

梅蓋偉

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

拱橋纜索吊裝扣塔偏位對拱肋節(jié)段安裝的影響

梅蓋偉

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

拱橋纜索吊裝施工中拱肋斜拉索錨固于扣塔上，扣塔受不平衡水平力作用將發(fā)生偏位現(xiàn)象，施工控制中的拱肋安裝高程需考慮扣塔偏位對其影響，大寧河大橋主拱安裝考慮了扣塔偏位對拱肋安裝高程影響，實(shí)施效果顯著。

大寧河大橋；主拱安裝；纜索吊裝；扣塔偏位；安裝高程

1　工程概況

大寧河大橋位于重慶市巫山縣5A級景區(qū)小三峽內(nèi)，上跨大寧河。大橋設(shè)計(jì)為主跨400m的鋼桁架上承式拱橋，失高80m，失跨比1/5，拱軸系數(shù)為1.9。橋梁全寬24.5m，橋梁立面布置如圖1所示。主拱圈為鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼桁等桁高，高度為10m，橫向又三片拱桁架通過鋼架橫聯(lián)連接成整體，每片拱桁架橫向間距為10m，三片拱桁總寬20m。每片拱桁的上下弦桿均采用等截面鋼箱結(jié)構(gòu)，拱箱高150cm、寬100cm，箱室內(nèi)部設(shè)縱向加勁肋。拱上立柱縱向間距為27m，立柱采用鋼箱矩形斷面，橫向間距10m，與桁間距保持一致，橫向采用鋼架橫聯(lián)連接。交界墩采用空心薄壁墩，寬度5m，順橋向?qū)?m，橫向?yàn)閮蓚€橋墩，橫斷面布置見圖2。

圖1　大寧河大橋立面布置圖

圖2　大寧河大橋橫斷面布置圖

主拱采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工，鋼桁架節(jié)段劃分原則根據(jù)吊裝重量控制，單側(cè)單桁片從拱腳至拱頂最大懸臂段共分為9個節(jié)段，一個合龍段，主拱桁架吊裝共有57個吊裝節(jié)段，最大吊重為160t。

纜索吊裝斜拉扣掛法是兩種施工工藝的合稱，其中纜索吊裝法是指利用吊塔、主纜、起重索、牽引索以錨碇等主要構(gòu)件組成的一個索道吊裝系統(tǒng)，通過主纜上行走的起吊設(shè)備吊裝主拱桁片，桁片吊裝就位后利用拉索斜拉拱桁，斜拉索錨固于扣塔上，扣塔設(shè)置背索以抵抗不平衡水平力，以此控制扣塔順橋向的偏位，詳見圖3。

2　斜拉扣掛法施工中的吊扣系統(tǒng)

大跨度拱橋拱肋的安裝方法有多種[1]，目前國內(nèi)施工大多采用纜索吊裝斜拉扣掛法，此方法施工需設(shè)置斜拉扣索拉住懸臂狀態(tài)的拱肋，扣索索力較大。扣索錨固端設(shè)置主要有三種方案[2]：（1）設(shè)置在為扣掛系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)立的扣塔上；（2）設(shè)置于支撐索道吊裝系統(tǒng)的吊塔上，形成吊扣合一的纜吊系統(tǒng)；（3）錨固端設(shè)置在兩岸的巖體上。

圖3　斜拉扣掛法施工的示意圖

2.1扣索錨固系統(tǒng)設(shè)置于獨(dú)立的扣塔上

吊塔與扣塔獨(dú)立設(shè)置，扣索一端連接于拱肋上，一端錨固于扣塔上，或通過設(shè)置于扣塔上的轉(zhuǎn)向滑輪錨固于地錨中。當(dāng)扣索錨固于扣塔上，需在扣塔另一端設(shè)置背索以平衡扣索水平力，背索錨固于地錨中，若采用轉(zhuǎn)向滑輪方式，則扣、背索合一。扣索錨固于獨(dú)立扣塔這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于扣塔與吊塔分離，受力明確；缺點(diǎn)在于扣塔與吊塔分別設(shè)置，需多用材料。

2.2扣索錨固于吊塔上

這種方法也叫吊扣合一法，即扣索錨固和吊裝主纜均設(shè)置在同一塔上，這種方法主要優(yōu)點(diǎn)是省去了多出來的扣塔或吊塔，節(jié)約了施工場地，在施工場地受限的現(xiàn)場是主要的吊扣方案。

2.3扣索錨固于兩岸巖體上

扣索一端連接拱肋，另一端直接錨固于兩岸的巖體，這種方法主要用于陡峭的山谷中，當(dāng)兩岸巖體完整性良好時使用，同時吊塔設(shè)置于巖體上，可省去或減少吊、扣塔的架設(shè)。

采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工的拱橋中大部分的扣索錨點(diǎn)設(shè)置都采用前兩種方法。扣索錨固于扣塔上的錨梁或其他錨固構(gòu)件，相同位置錨固背索，由背索提供扣塔所需的扣索水平分力，扣索也可通過設(shè)置在扣塔上的索鞍直接錨固于地錨。扣索連接主拱與扣塔，背索連接扣塔與地錨，其水平夾角不一致，需根據(jù)計(jì)算確定背索索力以平衡扣塔，否則會出現(xiàn)扣塔在不平衡水平力作用下的偏位現(xiàn)象。扣塔偏位對拱肋高程造成影響，甚至直接影響到成橋線形，如何影響，是施工和監(jiān)控關(guān)心的問題。

3　大寧河大橋吊扣系統(tǒng)

大寧河大橋吊扣系統(tǒng)是采用吊扣合一法。大寧河大橋主橋?yàn)?00m跨徑鋼桁架上承式拱橋，其5、6號橋墩為其交界墩，利用5、6號橋墩作為吊、扣塔基礎(chǔ)，兩岸吊、扣塔立與5、6號交界墩蓋梁上。大寧河大橋吊、扣塔采用H型鋼與N型萬能桿件拼接，為三柱式門型鋼結(jié)構(gòu)塔架形式，5號交界墩處鋼塔塔高33m，6號交界墩鋼塔塔高26m，塔柱中心線間距為10m，橫向?qū)?0m[3]。

鋼塔立柱采用2HW400×400H型鋼，聯(lián)結(jié)系為N型萬能桿件，萬能桿件與H型鋼立柱采用節(jié)點(diǎn)板栓接方式連接，詳見圖4。立柱型鋼分節(jié)段制作，節(jié)點(diǎn)采用M25.7螺栓栓接，立柱基礎(chǔ)與交界墩蓋梁固結(jié)。在扣塔上橫向設(shè)置錨梁，用于扣索，背索的錨固，扣索張拉在扣塔上進(jìn)行，背索張拉在地錨處進(jìn)行。

圖4　扣塔正立面布置圖

4　扣塔偏位對拱肋節(jié)段高程的影響

由于扣索張拉索力較大，同時為保證足夠的拱肋預(yù)抬量，扣塔偏位在實(shí)際工程中難以避免，因此，扣塔偏位對拱肋節(jié)段高程的影響是在施工和監(jiān)控過程中必須考慮的重要因素。

大寧河大橋的扣塔偏位對拱肋懸臂端高程控制的影響可通過幾何關(guān)系確定，此為解析法，詳見圖5，可用于初步計(jì)算該因素影響的大致范圍。

圖5　扣塔偏位與拱肋高程關(guān)系

作以下基本假定：

（1）扣索與背索總長不變；

（2）扣塔與拱肋節(jié)段為剛體，不發(fā)生彈性變形，僅為剛體位移。

式中：α1—為扣塔塔底于背索錨點(diǎn)連線與扣塔之間的原始夾角；

h1—為扣塔高度；

Lb—背索原長。

式中：δ—扣塔線偏移量。

式中：β—扣塔角偏移量。

（3）式求得背索新的長度。

式中：h2—扣塔原始位置塔頂?shù)焦般q距離。

（5）式求得扣塔偏移后扣塔塔頂?shù)焦般q距離。

式中：γ—如圖5所示。

（7）式求得扣塔偏移后扣索長度。

利用（5）、（7）式幾何關(guān)系

即可知，由A—A'點(diǎn)的豎向位移為：

（1）～（10）式為扣塔偏位對拱肋節(jié)段高程的影響。對于扣塔固結(jié)于地面，扣塔在不平衡力作用下有彈性變形，可根據(jù)有限元計(jì)算出背索索力大小來平衡扣塔，以消除扣塔偏位。

5　扣塔偏位對拱肋高程影響分析

解析法計(jì)算能初步計(jì)算出扣塔偏位對懸臂拱肋高程的影響，但對于大跨徑拱橋施工精度要求較高的特點(diǎn)，需采用有限元軟件進(jìn)行分析，考慮扣塔結(jié)構(gòu)彈性變形以及拉索的非線性效應(yīng)，通過有限元仿真分析計(jì)算出扣塔偏位對拱肋懸臂端高程的影響。

大寧河大橋施工階段分析采用大型有限元軟件ANSYS，建立主拱、交界墩、吊扣塔、拉索與背索，利用生死單元模擬施工過程。應(yīng)用其強(qiáng)大的二次開發(fā)工具APDL語言，編制了大寧河大橋全橋模型命令流。

同時建立無扣塔的模型計(jì)算進(jìn)行比對，控制目標(biāo)均為成拱線形與設(shè)計(jì)拱軸線偏差不大于5mm，通過對比分析，扣塔偏位對拱肋高程有影響，為消除該影響需對背索索力進(jìn)行調(diào)整，以控制扣塔的偏位，計(jì)算出的背索索力同樣是施工中重要的參數(shù)，詳見圖6、圖7。

圖6　大寧河特大橋有扣塔有限元模型

圖7　大寧河特大橋無扣塔有限元模型

表1為有扣塔模型計(jì)算和無扣塔模型計(jì)算出拱肋節(jié)段預(yù)抬量對比數(shù)據(jù)。

表1　懸拼節(jié)段施工扣索索力值比較(kN)

6　結(jié)論

纜索吊裝斜拉扣掛法施工的拱橋拱肋安裝懸臂端高程受扣塔偏位影響明顯[4]，因此在索力和節(jié)段預(yù)抬量計(jì)算中應(yīng)考慮扣塔偏位影響，大寧河大橋在施工過程中考慮了扣塔偏位對拱肋高程的影響，實(shí)際工程顯示效果顯著，大橋合攏前懸臂端高差僅2mm。同時考慮了扣塔偏位的計(jì)算能同時計(jì)算出扣塔背索索力，以其作為拱橋吊裝施工中背索張拉力的依據(jù)，可減少背索索力調(diào)整次數(shù)，提高施工效率。

[1]周水興，江禮忠.拱橋節(jié)段施工斜拉扣掛索力仿真計(jì)算研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19(3):8-12.

[2]梅蓋偉.基于裸拱變形為控制目標(biāo)的索力計(jì)算方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

[3]張建民，鄭皆連.鋼管混凝土拱橋吊裝過程的最優(yōu)化計(jì)算分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2005，18(2):40-44.

[4]汪樹玉，楊德銓，劉國華.優(yōu)化原理、方法與工程應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1991.

[5]衰海慶，范小春.大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝預(yù)測的迭代前進(jìn)算法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2003，16(3):48-51.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Impact of Tower Deviation in Arch Cable-Hoisting Construction on Arc Rib Installation

The cable-stayed anchor of arch rib is fixed onto the tower during the cable-hoisting construction,where the tower would make deviation for unbalanced horizontal force,so the impact of tower deviation on arc rib installation elevation should be considered in construction control.The main arc of Daninghe Bridge achieves noticeable results for doing so.

Daninghe bridge;main arch installation;cable-hoisting;tower deviation;install elevation.

U445.464

A

1671-9107（2015）07-0034-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.07.034

2015-06-01

梅蓋偉（1982-），男，重慶人，研究生，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇罂缍葮蛄涸O(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)非線性分析。