鋼箱拱橋整體吊裝施工中索力研究

石玉燦

(西南交通大學橋梁工程系，四川成都 610031)

鋼拱橋有著悠久歷史，在拱橋的施工過程中，逐漸積累了豐富經驗，總結近幾年拱橋的施工方法，一般有下面幾種：支架施工法、懸臂施工法[1]、轉體施工法[2]、纜索吊裝法[3]和整體吊裝法[4]。整體吊裝法施工是用具有足夠吊裝能力的起重設備將已經焊接成型的整片拱肋起吊，安裝合龍[4]。鋼箱拱橋整體吊裝施工方法具有工期短、對通航影響較小、減少高空作業的危險、易于保證施工質量、結構整體性好的優點[5]。但是目前整體吊裝施工多用于中小型橋梁，在大跨度鋼箱拱橋中的研究較少。為此本文作者以某在建的拱橋為實例，研究大跨度鋼箱拱橋整體吊裝施工的安全性。該橋整體吊裝施工面臨兩個難題：由于中拱段部分質量較大，拱肋結構受力較為復雜，施工過程中，拱肋的受力情況對施工安全至關重要；施工過程中，吊裝段結構的變形將影響最終合龍，因此將合龍誤差控制在可控范圍內對施工非常關鍵。針對大跨度鋼箱拱橋施工過程中出現的難題，本文作者結合有限元對結構的受力特征進行分析，有效地解決了這一問題。

1 工程背景

1.1 橋梁概況

該橋主橋為中承式鋼箱拱橋，結構體系為有推力提籃式拱橋。主拱部分拱肋由混凝土段和鋼箱拱肋段組成，拱軸線為懸鏈線。主拱凈跨徑為450 m，凈矢高為100 m，矢跨比為1∶4.5，拱平面與豎直平面的夾角10°。拱肋分布見圖1。

圖1 該橋整體分布

1.2 施工方法

拱肋施工過程按照拱肋節段分為邊拱段施工和中拱段施工兩個部分。將主拱兩側93.5 m長的部分劃分為邊拱段，邊拱段采用低位支架拼裝的施工方法。將主拱中間263 m部分劃分為中拱段，總重量5 200 t，中拱段采用整體吊裝的施工方法。中拱段施工分為三個步驟，依次是低位拼裝、張拉預應力索、整體吊裝。

2 有限元模型建立

2.1 作用荷載及計算工況

在整體吊裝過程中，拱肋結構受到三個荷載，分別是結構自重、縱向水平拉索預應力(每一側拉索張拉21 000 kN的預應力)以及結構的風荷載(根據當地實際情況，大小取755 N/m2， 方向為水平橫橋向)。

按照約束條件和荷載組合的不同，共分為以下三個工況：

工況一：自重，中拱段兩端固結。

工況二：自重+風荷載，豎直鋼束上部吊點固定。

工況三：自重+預應力+風荷載，豎直鋼束上部吊點固定。

2.2 單元模擬

中拱段吊裝結構模型中，鋼箱拱肋、加勁肋、橫隔板、橫撐和抱箍(抱箍為施工臨時結構，作用是連接吊索與鋼箱拱肋)等5部分采用采用空間板殼單元shell63[6]；豎直吊裝鋼束、水平預應力索都是采用桿系單元link10。模型共計217 941個節點，450 376個單元。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型示意

2.3 邊界條件

不同的工況，有不同邊界條件。工況一模擬成橋階段拱肋受力，在工況一中，邊界條件是中拱段左右兩端固結。工況二和工況三都是模擬吊裝階段，具有相同的邊界條件，固結吊裝鋼束的頂點。在抱箍的一個面上，約束橫橋向(Y方向)的位移，模擬橫橋向的限位裝置。為了防止體系的順橋向的剛體運動，在中拱段縱向對稱中心線上選取一個節點，約束其X方向位移，作為輔助約束。

3 計算結果及分析

3.1 應力計算結果

由于吊裝狀態下，結構應力狀態比較復雜，為多向應力狀態，同時考慮到結構材料為鋼結構，故應力分析中采用Von Mises應力[7]，其定義為：

式中：σ1、σ2、σ3為該位置的三個主應力。

鋼箱拱肋和抱箍結構是整體吊裝施工的主要承重構件，其在吊裝過程的應力水平，對與整體吊裝施工的安全性至關重要。三種工況下，鋼箱拱和抱箍結構的應力見表1。三個工況下結構應力數據結果表明：

(1)成橋階段，鋼箱拱肋結構的應力水平較低，不超過100 MPa，低于Q345鋼材的的設計強度。

(2)比較工況二與工況三結果，添加水平索之后，中拱段拱肋的應力減少為沒有預應力的1/2.67，抱箍應力減少為沒有預應力的1/6.67，說明吊裝施工過程中預應力的對拱肋應力的影響很大。

(3)工況三中，拱肋結構和抱箍結構的應力安全系數都大于1，吊裝過程中，結構各部分應力能夠滿足要求。

(4)吊裝過程中，中拱段的橫撐應力水平較低，應力最大為34.9 MPa。

3.2 位移計算結果

吊裝過程中，位移分析非常重要。位移根據方向分為兩部分：豎直方向的位移(Z向，以豎直向上為正)，影響到成橋后拱肋的線形；水平順橋向的位移(X向，以拱腳一端到另一端拱腳的方向為正)，關系到中拱段吊裝就位后與邊拱段的合龍精度。三種工況下拱肋結構的位移見圖3～圖5和表2。

表1 結構應力計算結果

圖3 工況一與工況三豎向位移

圖4 工況二豎向位移

圖5 工況二與工況三順橋向位移

表2 位移分析結果 mm

由位移計算結果可見：

(1)在吊裝過程(工況三)中，拱肋結構最大豎向位移差是56 mm，撓跨比為1/4 643，吊裝過程中，拱肋豎向變形能夠滿足要求。中拱段拱腳處的水平位移為36 mm，位移水平較小，能夠滿足合龍施工的誤差要求。

(2)比較工況一與工況三的豎向位移結果，中拱段吊裝施工時，拱腳處和拱頂處的豎向位移與成橋階段的位移結果較為接近，整體吊裝施工方法能夠較好的控制拱肋的線形。

(3)拱橋在無預應力條件下吊裝時，拱肋的變形很大，豎向撓度為1 296 mm，撓跨比為1/201；水平順橋向產生749 mm的位移差值。有預應力條件下吊裝時，同無預應力相比，順橋向水平位移減少為沒有預應力的1/10.4，結構的豎直位移減少為沒有預應力的1/23.1。說明吊裝施工過程中預應力的對拱肋變形的影響很大。

4 預應力參數分析

通過上文可知，有無預應力索對拱橋整體吊裝施工的應力變形影響很大。在本章中，繼續探討預應力大小對拱肋內力、變形的影響程度，為在施工中預應力大小的選取提供科學依據[8]。

分別選取0.4F、0.6F、0.8F、1.0F、1.2F、1.4F(F為施工方案中，加載預應力的大小，即每片拱肋張拉21 000 kN)的預應力，模擬吊裝施工過程，分析拱肋結構應力和位移的變化規律。

4.1 應力結果

應力結果選取拱肋上3個截面作為參考，分別是吊點處截面，L/4處截面和L/2處截面。幾種預應力作用下的應力結果見圖6。

圖6 拱肋截面應力

由截面應力結果可見：預應力的大小對拱頂處和L/4處的應力影響較小；但是對吊點處截面的應力影響較大，吊點處截面的應力先減小后增大，在1.0F時取最小值；預應力值在取0.8F～1.2F區間時，拱肋截面的應力水平較低。

4.2 位移結果

位移結果分為豎直方向和水平順橋向的兩個位移，豎直方向最大位移差值(拱頂位移減拱腳位移，以拱肋上拱方向為正)見圖7，水平順橋向最大位移差值(兩拱腳位移差值，以兩拱腳相向運動趨勢為正)見圖8。

圖7 豎向最大位移差值

圖8 順橋向最大位移差值

由拱肋最大位移差值結果可見：隨著預應力的增大，豎向最大位移差值隨之增大，即拱肋結構先下撓后上拱；順橋向的最大位移差值隨著預應力的增大而增大，即拱肋的兩拱腳先呈現張開趨勢，后呈現向跨中合攏趨勢；兩個方向的位移都在0.8F～1.0F區間時接近0。

5 結論

本文通過有限元數值計算的研究方法，分析了鋼箱拱橋在整體吊裝施工過程中拱肋的應力及變形規律。分析結果表明：

(1)拱橋整體吊裝過程中，各個構件的應力和位移能夠滿足吊裝施工的安全要求。

(2)拱橋整體吊裝過程中，設置水平預應索能夠明顯的減小拱肋結構的變形。

(3)水平預應力索的大小能夠影響拱肋結構的變形和應力。該橋施工中，預應力大小宜采用0.8F～1.0F區間的數值。施工方案設計時，建議選取合適的預應力，提高施工安全系數，并使拱肋結構接近理想線形。

(4)大跨度鋼箱拱橋采用整體吊裝的施工方法時，拱肋結構整體力學性能好，結構的撓度能控制在較小的水平，能較好的滿足橋梁施工過程中線形控制和安全施工的要求。計算分析結果可為大跨度鋼箱拱橋施工提供參考。