大跨度拱橋斜拉扣掛體系施工階段分析

李 哲，孫克強

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

斜拉扣掛法懸拼施工是一項較為成熟的施工方法，為了分析拱肋、扣塔、扣背索等關鍵結構在施工中的受力響應狀態(tài)，對體系進行施工階段分析計算是非常重要的。以往對斜拉扣掛結構施工階段的計算，多是先通過整體模型計算索力，再將索力以荷載形式施加于扣塔獨立模型。該計算方法較為便捷，但忽略了拱肋、扣背索、風纜等結構形成的體系剛度的影響，即結構在受荷變形后，荷載應隨之變化而非一個常量。本文在對斜拉扣掛體系施工階段計算分析時，先對施工過程索力計算求得最優(yōu)解，在此索力基礎上，通過整體模型進行結構計算，擁有較高的計算可靠度。

1 工程簡介

依托工程為國內某主跨507 m的鋼管混凝土拱橋，拱肋為鋼管混凝土桁架結構，拱頂截面高7.0 m；拱腳截面高14.0 m，肋寬4.0 m，兩側拱肋中距25.3 m。每肋為上、下各兩根φ1 300 mm鋼管混凝土主管，單側拱肋主管間通過橫聯(lián)鋼管φ760 mm和豎向兩根腹桿φ660 mm鋼管連接，兩側拱肋采用桁架式平聯(lián)連接。

拱肋采用斜拉扣掛法施工，共分20個塊段進行吊裝，其中第1、2、4、6拱肋采用臨時扣索扣掛，待下一節(jié)段吊裝完成后，即拆除臨時扣索。拱肋前5節(jié)吊裝時，拱腳為鉸接狀態(tài)，第5節(jié)吊裝完成后，拱腳封鉸固結。拱肋合龍后拆除扣索。圖1所示為斜拉扣掛體系布置，虛線為臨時扣索。

圖1 斜拉扣掛體系示意圖

2 施工階段索力計算

2.1 計算方法[2]

采用斜拉扣掛法施工拱肋時，對扣索索力的精確計算非常重要，其精確程度直接關系到節(jié)段標高控制和最終成拱線形，同時也影響到扣塔結構受力分析是否可靠。

本工程施工階段索力計算采用正裝迭代法，在對結構進行空間有限元計算的基礎上，運用扣索一次性張拉到位的思路對索力進行逆求解。該方法將扣索的索力作為優(yōu)化的設計變量，將拱肋標高控制點的位移作為狀態(tài)變量，通過迭代逼近進行優(yōu)化，求出施工階段合理索力，使成拱后的拱肋線形符合設計要求，實現(xiàn)拱肋吊裝預測和施工模擬。

空鋼管合龍的線形控制目標，即：空鋼管拱肋控制軸線=制造軸線(拱軸線+預拱度值)-空鋼管無鉸拱自重撓度曲線。按照上述優(yōu)化方法進行一輪索力優(yōu)化后，雖然無法使合龍松扣后的線形與空鋼管拱肋控制軸線達到一致，但是各控制點線形差值可以很容易獲得，這個差值就是第一輪索力優(yōu)化的預抬高量{ΔZ(1)}，令

{ΔZ}={ΔZ(1)}

下一步，用該預抬高量修正計算模型，將狀態(tài)變量中受約束的扣點位移范圍重新定在ΔZ±1 mm，其他保持不變，進行第二輪正裝計算的索力優(yōu)化，同理得到第二輪索力優(yōu)化的預抬高量{ΔZ(2)}，令

{ΔZ}={ΔZ(1)}+{ΔZ(2)}

如此進行n輪的迭代優(yōu)化，直至合龍松索后，拱肋線形與空鋼管拱肋控制軸線達到一致，即

{ΔZ(n)}<{τ}(容許差)

此時停止迭代，最后一輪優(yōu)化產(chǎn)生的索力就是最終索力，同時拱肋預抬高量就是最終的總預抬高量，{ΔZ}={ΔZ(1)}+{ΔZ(2)}+…+{ΔZ(n-1)}。

2.2 模型建立

計算采用Midas Civil 2013結構有限元軟件進行整體建模，全橋模型共6 274個節(jié)點，13 117個單元，其中索結構為只受拉單元，其余均為梁單元。檢修通道、錨箱、拱肋扣點等結構自重均以附加荷載的形式施加。為精確模擬索長與傾角，索結構端點模擬在實際錨固位置，采用剛臂連接。見圖2～4。

圖2 全橋結構模型圖

圖3 扣點設計錨固位置圖

圖4 扣點模擬錨固位置圖

2.3 結果分析

圖5 拱肋最大組合應力(單位：MPa)圖

圖6 拱肋軸線偏位圖

圖7 扣塔塔頂偏位圖

經(jīng)迭代計算(圖5～7)確定最優(yōu)索力，拱肋施工階段應力滿足強度要求，松索拱肋線形與空鋼管拱肋控制軸線偏位滿足規(guī)范JTG/T F50-2011要求。

3 扣塔受力分析

3.1 計算工況分析

扣塔結構計算時，需考慮風荷載作用，考慮風速分為6級風(纜索吊吊裝狀態(tài))和10年一遇風(非吊裝狀態(tài))，單一風速下風荷載又分為順橋向、橫橋向兩個方向施加。施工階段索力為變量，若每個施工階段均考慮四種風荷載去進行計算顯然過于繁瑣。

為了優(yōu)化計算流程，對扣塔計算工況進行分析選取。對索力作用下的扣塔響應進行對比，選取非吊裝狀態(tài)最不利工況和吊裝狀態(tài)最不利工況，再對選定工況疊加風荷載、纜索吊自重荷載、纜索吊吊裝荷載、塔吊附墻荷載進行計算。索力作用下，各施工階段塔底軸向應力如圖8所示(鋼管混凝土截面由程序自動換算為等效鋼截面)。

圖8 索力作用下塔底壓應力圖

圖8以塔底軸壓響應為例，對分析方法進行說明。此外，還需對比分析扣塔其他關鍵位置響應。根據(jù)分析結果，10#塊安裝完成階段與合龍段安裝完成階段為索力作用下結構響應最不利狀態(tài)。由于合龍后拱肋形成順橋向剛度，對扣塔結構有利，因此選取10#塊安裝完成階段(即最大懸臂狀態(tài))為非吊裝狀態(tài)最不利施工階段。9#塊安裝完成階段為鋼結構及鋼管混凝土結構響應的次不利狀態(tài)，選取9#塊安裝完成階段為吊裝狀態(tài)最不利施工階段。

3.2 附加荷載

扣塔計算時，除考慮扣塔結構自重、索力荷載以外，還需施加風荷載、纜索吊及吊塔自重荷載、纜索吊吊裝荷載、塔吊附墻荷載等附加荷載。扣塔計算工況及荷載組合如表1所示。

表1 扣塔荷載組合表

為精確模擬風速沿高度變化產(chǎn)生的影響，對扣塔、扣索、背索、拱肋分別選取基準高度進行風荷載計算(背索1-6為南側背索，背索1′-6′為北側背索)，見圖9。

圖9 基準高度示意圖

3.3 結果分析

按照計算工況及荷載組合，利用有限元軟件對扣塔結構進行計算。按照不同工況、材質分別讀取結構最不利響應，對結構進行強度及穩(wěn)定計算，見表2～3、圖10～11。

表2 扣塔鋼結構計算結果統(tǒng)計

表3 扣塔鋼結構計算結果統(tǒng)計

非吊裝橫風應力

非吊裝順風應力

吊裝橫風應力

吊裝順風應力

結構整體模型并未考慮節(jié)點鋼錨箱、塔吊附墻連接等細部結構，對于這些位置出現(xiàn)的應力集中現(xiàn)象，應另外進行細部計算。

圖11 節(jié)點鋼錨箱位置應力(單位：MPa)集中示意圖

4 結語

本文采用扣索一次張拉到位的思路，建立貼合工程實際的高精度模型，根據(jù)正裝迭代法對拱肋懸拼過程的索力進行計算，確定最優(yōu)索力。在此基礎上，對扣塔進行索力響應分析、優(yōu)化計算流程并細化附加荷載，最終達到既能包絡結構最不利受力狀態(tài)，又不致產(chǎn)生過量安全儲備的目的，兼顧了計算的可靠度與經(jīng)濟性。

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