鋼管砼拱橋主拱圈交替吊裝和分幅合龍中空間效應分析

李海軍

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

鋼管砼拱橋主拱圈交替吊裝和分幅合龍中空間效應分析

李海軍

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

鋼管砼拱橋主拱圈常采用交替吊裝、分幅合龍的施工方法，吊裝過程中兩幅拱肋間通過橫向米撐連接成為一個空間體系，其理論線形與受力計算具有明顯的空間效應特征。文中采用MIDAS／Civil有限元分析程序模擬實際施工工序對貴州省總溪河特大橋空鋼管的成拱過程進行空間效應分析。結果表明，同一梁段左右幅的定位標高和扣索張拉力不同；先合龍幅的軸線偏位應先設置一定的預偏，以保證全部合龍后的軸線偏位正確回中；采用交替吊裝、分幅合龍的鋼管砼拱橋在空鋼管成拱過程中的線形控制必須充分重視其空間效應，確保主拱圈合龍后的線形滿足施工控制要求。

橋梁；鋼管砼拱橋；交替吊裝；分幅合龍；空間效應

鋼管砼拱橋是一種自架設體系結構，結構剛度分階段逐漸組合而成，體系靈活多變，能適應不同地質和地形條件，近年來在國內外得到廣泛應用。施工控制是鋼管砼拱橋建設中至關重要的一環，而主拱圈吊裝過程中的空間效應分析是其中的關鍵，決定著主拱圈合龍后線形和受力是否滿足設計要求。

目前對鋼管砼拱橋主拱圈線形控制方法的研究主要集中在主拱圈平面線形控制上，極少考慮主拱圈的空間效應對線形控制的影響。文獻［9］以銅湯（銅陵—湯口）高速公路太平湖大橋為工程背景，考慮到拱肋合龍時天氣較惡劣、整個拱肋大懸臂時抗風穩定性較差，采用單邊合龍的方法，降低了大懸臂施工風險，但也給整體結構性能帶來一定的負面影響，主要原因是單邊合龍后結構體系發生變化，兩幅拱肋受力和變形特性不再對稱。文獻［10］以南浦大橋為工程背景，采用跨中預留間隙單邊嵌入的合龍方式，即在兩岸鋼管桁架遵循上下游對稱、兩岸對稱的原則，齊頭并進安裝完第五節段橫撐后，上游先合龍，下游再采用同樣的方式合龍。以上研究雖然都提及了主拱圈分幅合龍，但并沒有對此過程中的空間效應進行詳細闡述，而該問題在鋼管砼拱橋施工控制過程中是不可回避的。該文以貴州省總溪河特大橋為工程背景，對主拱圈交替吊裝、分幅合龍過程中的空間效應進行研究，為同類型橋梁施工控制計算提供參考。

1 空間效應分析

1.1 主拱圈交替吊裝

主拱圈交替吊裝是指先吊裝某一幅的2個或更多節段再吊裝另一幅的相應節段，然后在兩幅拱肋間安裝橫撐，如此交替進行，直至主拱圈合龍。受主拱圈空間效應的影響，線形控制難度加大。施工過程中，左、右兩幅同一節段因吊裝順序不同，理論線形會有所不同，原因是先吊裝的拱段扣索力使主拱圈處于偏心受力狀態，在其作用下主拱圈的標高和軸線會偏離理論位置，另一幅相應節段吊裝完成后主拱圈才能處于平衡狀態，標高和軸線也回到相應的理論位置。如圖1所示，假設主拱圈已交替吊裝至n-1節段，下一輪交替吊裝n、n+1節段，施工步驟為左幅n節段→左幅n+1節段→右幅n節段

→右幅n+1節段→橫向米撐。

圖1 主拱圈交替吊裝施工步驟示意圖

交替吊裝過程中由于空間效應而導致的第一個不同之處在于主拱圈各節段定位時標高和索力不同，標高決定索力，索力影響標高，二者一一對應，拱段定位時應以標高控制為主、索力控制為輔。利用MIDAS／Civil建立有限元分析模型模擬上述交替吊裝過程，通過計算可得各節段定位時的索力與標高理論值（見表1）。

表1 各節段定位時索力與標高理論值

表1中 ，Fnz＞Fny，Fn+1z＞Fn+1y，Hnz＜Hny，H n+1z＜ Hn+1y，F?nz=F′ny，F″n+1z=Fn+1y，H?nz= H′ny，H″n+1z=Hn+1y，即同一節段因吊裝順序不同，控制索力和標高不同。

交替吊裝過程中由空間效應導致的另一個不同之處是吊裝過程中橫向偏位的控制不同，主拱圈成拱后橫向偏位是否滿足設計要求，直接決定主拱圈的受力是否滿足設計要求。左幅n節段吊裝后，其扣索力水平分力相當于在主拱圈左幅施加水平荷載，該水平荷載相對于整個主拱圈來說為橫向偏心荷載，主拱圈會產生向左的橫向偏位。吊裝左幅n+1節段時，由于左幅扣索力增大，這一橫向偏位將繼續增大。但隨著右幅n、n+1節段吊裝完成，右幅的扣索力水平分力會使整個主拱圈的水平荷載逐步回中，前一過程產生的橫向偏位也自動歸零。因此，在這個過程中，主拱圈出現的在允許范圍之內的橫向偏位無需調整，若強行將其調整至零偏位，則右幅n、n+1節段的吊裝又將導致主拱圈出現向右的橫向偏位。

1.2 主拱圈分幅合龍

鋼管砼拱橋主拱圈分幅合龍是指主拱圈處于最大懸臂之前先單幅合龍再合龍另一幅。分幅合龍雖然可避免出現最大懸臂這一最不利狀態，但會加大合龍難度。假設主拱圈左幅先合龍，各節段在其扣索力水平分力作用下會產生向左的橫向偏位，分別為Δ1、Δ2、…、Δn，與交替吊裝過程不同的是，合龍右幅時橫向偏位Δ1、Δ2、…、Δn會有所減小，但不會全部為零，所以左幅合龍之前應對各節段橫向偏位作適當調整。根據有限元模型分析結果，左幅合龍后再吊裝右幅時，主拱圈各節段橫向偏位的減小量分別為Δ′1、Δ′2、…、Δ′n，故左幅合龍之前各節段橫向偏位調整量分別為Δ1-Δ′1、Δ2-Δ′2、…、Δn-Δ′n?？梢酝ㄟ^風纜進行調節，待右幅合龍完畢后主拱圈回到理論位置。如果左幅合龍之前不對主拱圈橫向偏位進行調整，則主拱圈全部合龍后各節段橫向偏位不可能為零。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

總溪河特大橋為杭瑞（杭州—瑞麗）高速公路貴州省境內的重要控制性工程，主橋采用跨徑360 m上承式鋼管砼變截面桁架拱，橋面寬度24.5 m，汽車荷載標準為公路-Ⅰ級，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.3，矢高h=69 m，矢跨比f=1／5.217。主拱圈采用等寬度變高度空間桁架結構，肋間設橫撐和米撐。鋼管拱肋對接接頭采用管內法蘭盤栓接、管外焊接的形式連接。主拱圈采用無支架纜索吊裝千斤頂斜拉扣掛法施工，從拱腳至拱頂共劃分為14個節段，全橋共58個節段。其立面布置見圖2，橫斷面布置見圖3。

圖2 總溪河特大橋立面布置（單位：cm）

2.2 有限元分析

主拱圈吊裝過程中，為了實現工期目標，并考慮到吊裝設備的限制，采用交替吊裝、分幅合龍的方案，采用有限元平面桿系計算程序BDCMS結合MIDAS／Civil進行施工控制理論計算。主拱圈有限元計算模型如圖4所示。

圖3 總溪河特大橋橫斷面布置（單位：cm）

圖4 總溪河特大橋主拱圈有限元計算模型

以畢節岸11＃、12＃節段吊裝過程為例，通過有限元分析，這4個節段吊裝時，受主拱圈空間效應的影響，不同工況下同一節段的索力和標高理論值各不相同（見表2）。

由表2可知：同一節段由于吊裝順序不同，受主拱圈空間效應的影響，定位時的索力和標高會有所差異。右幅11＃節段和左幅11＃節段相比，索力小18.7 k N，標高高12 mm；右幅12＃節段與左幅12＃節段相比，索力小19 k N，標高高11 mm。11＃、12＃節段全部吊裝完成后，主拱圈處于平衡狀態，同一節段索力和標高相等。然后安裝橫向米撐，完成一個完整的交替吊裝過程。如此循環，完成整個主拱圈的施工。

若在上述吊裝過程中忽略主拱圈空間效應的影響，對同一節段采用相同的索力和標高進行控制，各節段的索力和標高見表3。

表2 考慮主拱圈空間效應時畢節岸11＃、12＃節段吊裝時各節段索力和標高

表3 忽略主拱圈空間效應時畢節岸11＃、12＃節段吊裝時各節段索力和標高

由表3可知：對于同一節段，如果不考慮主拱圈空間效應的影響，采用相同的索力和標高進行控制，必然會導致吊裝完成后主拱圈兩幅標高和索力均不對稱。右幅11＃節段與左幅11＃節段相比，索力大18.7 k N，標高低12 mm；右幅12＃節段與左幅12＃節段相比，索力大19 k N，標高低11 mm。這將給后續工序的施工帶來困難。

畢節岸11＃、12＃節段吊裝過程中，由左幅11＃、12＃節段扣索力水平分力引起的主拱圈橫向偏心荷載導致主拱圈各節段出現表4所示橫向偏位。

根據以上分析，右幅11＃、12＃節段吊裝完成后，主拱圈總的扣索水平力橫向對稱，各節段橫向偏位為零，在左幅12＃節段吊裝后如出現表4所示橫向偏位，則不需要調整。若強行將各節段橫向偏位調整到零，則右幅11＃、12＃節段的吊裝又會使主拱圈各節段出現向右的橫向偏位，反而會使最終的橫向偏位不居中，帶來額外的軸線偏差。

表4 左幅12＃節段吊裝后各節段橫向偏位mm

主拱圈交替吊裝至12＃節段后，采用分幅合龍的方案進行合龍，先吊裝右幅13＃、14＃節段并合龍，且右幅合龍之前對主拱圈各節段橫向偏位進行調整，因為右幅合龍后主拱圈體系發生變化，左幅13＃、14＃節段的吊裝無法完全消除主拱圈各節段的橫向偏位。通過有限元分析，右幅合龍之前各節段的橫向偏位見表5，左幅14＃節段吊裝后各節段的橫向偏位改變量見表6，由此可計算出右幅合龍之前主拱圈各節段的橫向偏位調整量（見表7）。各節段橫向偏位可通過風纜進行調節。

表5 右幅合龍前各節段橫向偏位mm

表6 左幅14＃節段吊裝后各節段橫向偏位改變量mm

表7 右幅合龍前各節段橫向偏位調整量mm

綜上所述，總溪河特大橋分幅合龍過程中，右幅合龍前主拱圈各節段橫向偏位應按表5所示理論值進行控制，然后在風纜調節時按表7所示進行調整，最終左幅合龍后主拱圈的軸線才能順利居中。

3 結論

（1）鋼管砼拱橋主拱圈在采用交替吊裝施工方法時會呈現明顯的空間效應特征，左、右幅同一節段在安裝定位時的標高和索力理論值不同，在進行線形控制時需充分考慮主拱圈空間效應的影響，對左、右幅相同節段采用不同的理論值進行精確定位。

（2）主拱圈交替吊裝過程中，單幅先吊裝節段的扣索力會產生橫向偏心水平荷載，使主拱圈產生軸線偏差，對于該軸線偏差不需進行額外調整，在另一幅相應節段吊裝并索力張拉到位后軸線偏差會自動歸零。

（3）主拱圈交替吊裝和分幅合龍時，由于單幅合龍后主拱圈體系改變，單幅合龍前的橫向偏位不能像懸臂拼裝時一樣不作調整，而需準確計算出另一幅的吊裝對先吊裝一幅所帶來的軸線變化，然后確定單幅合龍前各節段橫向偏位的調整量，并采用風纜進行調整，這樣才能使最終合龍后的主拱圈橫向偏差歸零。

［1］ 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，2013，33（3）.

［2］ 涂光亞，盧偉升，張克波，等.大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝的線形控制［J］.公路交通科技：應用技術版，2007（1）.

［3］ 顧穎，姚昌榮，李亞東，等.大跨度鋼管混凝土拱橋安裝線形控制方法研究［J］.橋梁建設，2014，44（1）.

［4］ 郝聶冰，顧安邦.500 m級鋼管混凝土拱橋施工控制［J］.西南交通大學學報，2015，50（4）.

［5］ PMata，S Oller，AH Barbat.Static analysis of beam structures under nonlinear geometric and constitutive behavior［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2007，196（45）.

［6］ 霍慶杰.鋼管混凝土拱橋施工監控技術研究［D］.石家莊：河北科技大學，2012.

［7］ 周建超.吊裝工藝下鋼管混凝土拱橋施工控制關鍵技術研究［D］.成都：西南交通大學，2013.

［8］ 劉新根.鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝及注漿力學仿真分析［J］.世界橋梁，2014，42（4）.

［9］ 姚運昌.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制研究［D］.合肥：合肥工業大學，2007.

［10］ 張冶成.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制研究［D］.杭州：浙江大學，2004.

［11］ 袁海慶，范劍鋒，范小春.鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程的線形優化方法［J］.武漢理工大學學報，2002，24（2）.

U448.22

A

1671-2668（2016）06-0203-04

2016-03-22