特大跨高鐵梁拱組合橋豎轉過程結構受力分析與安全控制

常兆峰

(中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450052)

高速鐵路對橋梁結構不僅要求剛度大，而且對結構變形和動力性能要求也非常嚴格[1]，連續梁拱組合橋將連續梁結構體系和拱式結構體系結合，增大了高速鐵路梁式橋的跨越能力；同時，梁拱組合結構具有整體受力特性好、結構剛度大等優點，因此，越來越成為一種具有競爭力的橋型[2-5]。

對于鋼管拱肋的安裝，通常采用現場安裝、預制平移以及轉體等方法，具體施工方法的采用需根據現場條件及設計要求確定。文獻[6]介紹梁拱組合橋的豎轉體系、錨固系統、纜索吊裝系統、豎轉實施及其施工要點等；文獻[7]研究了梁拱組合橋的豎轉施工方案和塔架兩側的扣錨點的錨固問題；此外還有一些學者對拱肋豎轉施工方案[8]、豎轉提升工藝下拱肋體系轉換[9]等進行了分析研究。轉體施工方法需要輔助臨時施工措施相對較多且技術難度大，本文以某高速鐵路特大梁拱組合橋為工程依托，建立精細有限元模型，針對豎轉過程中的拱肋及塔架進行受力分析。

1 工程概況

本文算例橋梁為某高速鐵路特大橋，主橋采用74 m+160 m+74 m預應力混凝土連續梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結構體系，主梁為單箱雙室預應力混凝土連續梁，梁面寬度為14.2 m。主跨為160 m，立面位于6‰縱坡上，吊桿與梁面垂直，見圖1。該特大橋施工過程由于受周圍環境限制且考慮安全因素，設計方案為首先在連續梁中跨搭設支架現場拼裝兩側拱肋，拼裝完成后進行豎轉就位。豎轉施工是該建設方案的關鍵環節。兩側拱肋豎轉時的最大拉升高度以拱肋豎轉軌跡不干涉、保證精確合龍為原則。為保障合龍精度，兩側拱肋豎轉高度應超過設計高程，轉體到位后落拱合龍。

拱肋豎轉體系：由豎轉塔架(由塔身、索鞍、連接系組成)，平衡索、提升索、動力系統、攬風繩等組成。塔架設計方案：塔架立柱采用?530 mm×10 mm鋼管，平桿、斜桿均采用∟140焊接。塔架位于拱座內側，一側腿立于拱座上，塔架高度為48 m。每個塔柱由4節組成，兩塔柱距離為6.2 m，節間用法蘭連接。鋼管拱肋豎向轉體施工方案及塔架構造分別如圖1和圖2所示。

圖1 鋼管拱豎轉立面圖

塔頂索鞍設計：塔頂索鞍為輥軸式，每個索鞍輥軸5個。塔頂分配梁采用雙拼I56I32型鋼，索鞍采用16 mm厚鋼板、采用45號鋼?50 mm輥軸、輥輪材料為鑄鋼、輪軸與輥輪間襯銅軸套，并采用精軋螺紋鋼筋進行錨固。

圖2 塔架立面圖(單位：mm)

后錨點位置設計：后錨點主要包括預埋錨索、后錨梁錨箱，提供持續豎轉動力的千斤頂位于錨箱當中。提升索與鋼管拱連接點設計：提升索與鋼管拱利用拉點連接，采用鋼板及預應力錨環組焊形成扣點。鋼板穿過上弦管設計。提升索設計：提升索采用?15.24 mm的1 860 MPa高強度低松弛預應力鋼絞線，豎轉提升索每束由24根鋼絞線組成。

拱肋豎轉施工方案：在橋上拼裝完兩個半拱后進行豎轉施工，豎轉角度為左側20.2°和右側15.0°。豎轉施工順序：先豎轉右側端再豎轉左側端，內設導向裝置導向合龍，留龍口不設合龍段，龍口寬度30 mm。為確保先豎轉的右側半拱不妨礙后豎轉的左側半拱豎轉，右側半拱前端提升高度應高于設計標高2.2 m，同樣方式豎轉左側半孔主拱至設計標高0.5 m；然后右側半拱下放至設計高度0.5 m(與左側半拱平齊，導向楔形鋼板對正對面弦桿鋼管，開始起導向糾偏作用)；最后，左側、右側兩半拱同時同速度下落至設計高度。

拱肋豎轉施工流程見圖3。

按照現場實際情況，根據豎轉過程中拱肋拱頂標高的變化，將拱肋豎轉的整個施工過程劃分為以下幾種施工工況，見表1。

2 有限元模型的建立

在塔架、拱肋有限元模型建立的過程中，單元的類型、構件的模擬、邊界條件的處理是否準確，直接關系著計算結果的可靠性。本文在有限元模擬過程中考慮到拱肋線形、豎轉過程受力變化以及局部受力分析，采用ANSYS通用有限元軟件建立鋼管拱肋吊裝過程有限元模型；由于塔架各構件均為直線形且僅在頂部承受水平力及豎向力作用，考慮塔架結構形式及受力狀態，塔架采用Midas Civil建立有限元模型，各桿件采用梁單元進行模擬。

圖3 豎轉拱肋提升施工流程

表1 施工工況的劃分 m

施工工況左側拱頂標高(大拱)右側拱頂標高(小拱)工況一159.578166.384工況二160.987167.285工況三161.543168.370工況四162.112169.334工況五163.758170.271工況六164.031171.279工況七164.978172.179工況八165.687172.407工況九166.125173.847工況十167.346174.975工況十一168.360176.281工況十二169.452177.989工況十三170.371179.961工況十四172.348180.035工況十五172.512181.865工況十六174.453182.589工況十七176.379183.696工況十八178.531184.742工況十九180.943185.495工況二十181.566185.902工況二十一182.267186.115工況二十二184.444186.144工況二十三183.944183.944

拱肋建模過程中，鋼管以及前拉點結構采用Shell181單元模擬；采用Link10單元模擬提升索；前拉點的銷軸與銷孔的連接采用只受壓的Link10單元模擬兩者之間的非線性接觸行為。結構有限元模型見圖4。

圖4 拱肋豎轉有限元模型

塔架建模過程中按照等效的原則，根據鋼管拱肋吊裝過程ANSYS有限元模型計算結果，將扣索索力(與起重索相同)施加在塔架模型的對應位置，并按照施工現場實際情況，設定邊界條件，施工過程中索力值如表2所示。根據塔架設計及各構件布置形式，塔架受力主要為提升索(起重索及扣索)在轉體過程中施加于塔頂的荷載，當塔架發生水平位移時平衡索承擔相應荷載。平衡索用于平衡提升索塔頂水平力，對塔架受力有利，且有利于保證轉體過程中塔架的安全性，偏于安全考慮，實際建模過程中不考慮平衡索的有利作用，計算時起重索及扣索引起的水平力全部由塔架承擔。

表2 施工過程中索力值 kN

施工工況索力施工工況索力工況一1 461.0工況五1 390.0工況十一1 321.0工況十五1 251.8工況二十1 151.9工況二十三1 177.9

3 豎轉過程拱肋應力分析

隨著豎轉施工推進，拱肋高度不斷變化，其中拱肋整體脫架(工況一)與拱肋豎轉就位(工況二十三)為兩個典型施工狀態，其中拱肋整體脫架時受力最大，為最不利狀態。以左側拱肋為例，兩種典型狀態下拱肋變形及應力見圖5和圖6。

圖5 拱肋脫架狀態受力分析

拱肋整體脫架時懸臂端上撓位移37.89 mm，前吊點與拱腳間拱肋最大豎向位移51.75 mm。拱肋鋼管最大應力為71.19 MPa，最大值位于前吊點附近，拱肋采用Q345B鋼，設計容許擠壓應力為315 MPa，結構處于安全狀態。由于本工程拱肋長度較大，豎轉過程中拱肋為空鋼管，且在支架拼裝，支撐點8個(拼裝支架按單點支撐考慮)，拱肋脫架時僅有拱腳支撐及端部扣索作用，豎轉過程中拱肋完全脫架臨界狀態變形較大。

圖6 拱肋就位狀態受力分析

拱肋豎轉就位時拱肋鋼管最大應力為63.43 MPa，最大值位于前吊點附近。

4 豎轉過程塔架應力分析

隨著拱肋的提升施工，塔架受力不斷變化，通過監測塔架應力，實時分析評估塔架在豎轉過程各構件的受力狀態以及結構的安全性。

4.1 塔架應力測點布置

在模型中提取施工過程中各種工況下各構件應力及其變化規律。根據有限元計算結果，豎轉過程中塔架底部、變截面位置、首層橫撐底部受力較大，在豎轉過程中塔架應力較大的薄弱位置布置應力監測點，用于監測拱豎轉過程中塔架關鍵部位的應力變化情況。應力測點共18個，如圖7所示。

圖7 塔架測點布置

4.2 塔架各構件理論應力

拱肋豎轉過程中拱肋整體脫架時塔架壓應力最大，為最不利狀態。根據有限元分析，取豎轉過程中拱肋脫架及就位兩個典型工況下塔架各測點應力計算結果見圖8。

4.3 塔架應力測試結果

鋼管拱豎轉過程中，塔架各應力測點數據同時采集，以左側塔架2號和8號測點為例，塔架應力實測值與理論值變化情況如圖9和圖10所示。

由圖9可知，2號測點在第1施工階段時出現最大理論應力為-57.5 MPa，2號測點在第20施工階段時出現最小理論應力為-49.2 MPa； 2號測點在第1施工階段出現最大實際應力為-49.5 MPa，約為理論應力值的86.1%，在第20施工階段時出現最小實際應力為-39.0 MPa，約為理論應力的79.3%。由圖10可知，8號測點在第1施工階段時出現最大理論應力為-63.2 MPa，在第20施工階段時出現最小理論應力為-54.8 MPa；8號測點在第1施工階段出現最大實際應力為-56.0 MPa，約為理論應力的88.6%，在第20施工階段時出現最小實際應力為-49.3 MPa，約為理論應力的90.0%。隨著施工的逐步進行，提升索的索力值先減小后增大，塔架豎向分力及理論應力值變化趨勢相同。根據塔架應力實測數據，塔架實際應力的變化趨勢與理論應力的變化趨勢一致，表明鋼管拱豎轉過程中，塔架受力變化規律與理論預測一致。為確保豎轉過程中拱肋的施工安全，實際施工過程中，未考慮平衡索的有利作用，塔架底部鋼管填充了一定高度的C50混凝土，且塔架變截面處加設了綴板，塔架整體剛度增大，兩側塔架實際應力值均較小于理論應力值。

圖8 各塔架應力

圖9 2號測點應力

圖10 8號測點應力

5 結論

(1)由于豎轉過程拱肋及塔架受力影響因素較多，且受力狀態不斷變化，作為豎轉關鍵結構，應對豎轉過程進行實時監控。

(2)拱肋豎轉過程中受力狀態不斷變化，拱肋脫架時拱肋及塔架承受荷載最大，為最不利狀態。

(3)根據理論計算及現場測試結果，由于豎轉過程中千斤頂行程改變及平衡索調整，實測應力略小于理論應力，但整體較為吻合且變化趨勢一致，應力值較小，整個豎轉過程未發生應力突變及局部失穩現象，塔架處于安全狀態。