連續(xù)剛構(gòu)拱橋拱肋大節(jié)段整體提升過(guò)程計(jì)算分析

羅力軍 尹光順

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢 430034）

近年來(lái)，連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱橋組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)鐵路橋梁中得到廣泛應(yīng)用。柔性拱結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)二期恒載及列車荷載作用，可以限制混凝土主梁跨中的下?lián)希龃筮B續(xù)梁結(jié)構(gòu)的跨越能力。柔性拱多以鋼管混凝土拱肋為主要結(jié)構(gòu)形式，拱肋安裝的主要施工方法有支架法、轉(zhuǎn)體法、斜拉扣掛懸臂拼裝法、大節(jié)段整體提升法、頂推法等［1-5］。

新建武漢—十堰高速鐵路安陸府河特大橋主橋采用連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地環(huán)境，拱肋鋼管安裝時(shí)邊段采取支架法拼裝，中段采取大節(jié)段整體提升法，最后合龍完成。拱肋鋼管大節(jié)段提升施工是拱肋鋼管安裝的關(guān)鍵，須嚴(yán)格控制主體結(jié)構(gòu)受力及變形，保證施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。本文利用MIDAS 軟件建立拱肋鋼管大節(jié)段提升及全橋施工過(guò)程計(jì)算模型，計(jì)算確定合理的水平對(duì)拉索力并分析合龍溫度對(duì)索力的影響；對(duì)拱肋大節(jié)段提升過(guò)程中可能存在的不同步現(xiàn)象進(jìn)行了分析，確定提升過(guò)程的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1 工程概況

安陸府河特大橋主橋總體布置見(jiàn)圖1。主梁為（90+200+90）m 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱雙室變高度直腹板箱形截面。跨中及邊支點(diǎn)處梁高4.6 m，中支點(diǎn)處梁高10.6 m，梁底按圓曲線變化。標(biāo)準(zhǔn)截面頂寬14.2 m，底寬10.8 m。全橋共設(shè)40 組雙吊桿，吊桿順橋向間距9.0 m。主梁0 號(hào)塊節(jié)段及邊跨直線段在支架上施工，其余節(jié)段均采用掛籃懸臂澆筑。

圖1 安陸府河特大橋主橋總體布置（單位：m）

拱肋結(jié)構(gòu)采用平行拱雙管布置，計(jì)算跨度200 m，設(shè)計(jì)矢高40 m，矢跨比1∶5，拱軸線采用二次拋物線。兩榀拱肋間橫向中心距11.9 m，肋間共設(shè)11 道橫撐，橫撐均為空間桁架結(jié)構(gòu)。拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴形截面（圖2），高3.3 m。拱肋鋼管由弦管和綴板組成，弦管直徑1.2 m，由厚20，24 mm 的鋼板卷制而成。弦管之間用16 mm 厚鋼綴板連接。合龍后拱肋弦管及綴板內(nèi)填充微膨脹混凝土。

圖2 拱肋橫截面（單位：mm）

2 拱肋鋼管施工方案

2.1 總體方案

拱肋鋼管在工廠制作加工后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)分為5 段進(jìn)行施工：44.5 m 邊段+1.6 m 合龍段 +107.8 m 中 段+1.6 m 合龍 段 +44.5 m 邊段。 邊段采取原位支架拼裝法，中段采取大節(jié)段整體提升法。連續(xù)剛構(gòu)橋全橋合龍后，拼裝兩邊段支架和拱肋鋼管，然后進(jìn)行中段拱肋鋼管的拼裝及整體提升，最后合龍完成。拱肋鋼管安裝施工總體布置見(jiàn)圖3。

圖3 拱肋鋼管拼裝施工總體布置（單位：mm）

2.2 邊段拼裝方案

兩邊段拱肋鋼管均分為4 個(gè)節(jié)段進(jìn)行拼裝，質(zhì)量分別為20.2，19.9，14.7，12.6 t，采用汽車吊吊裝。拱肋鋼管拼裝支架頂部的分配梁上設(shè)置鞍座，采用千斤頂頂起鞍座以調(diào)節(jié)拱肋鋼管拱節(jié)段線形。

2.3 中段拼裝及提升方案

采用100 t 履帶吊將中段拱肋鋼管分節(jié)段吊裝至位于梁面的拼裝支架上，拼裝成拱肋大節(jié)段，再由提升吊架系統(tǒng)整體起吊提升至設(shè)計(jì)位置。大節(jié)段總質(zhì)量約455 t，設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)。具體施工步驟如下：

1）在梁面上，利用塔吊及100 t汽車吊安裝拱肋中段拼裝支架。

2）在拼裝支架上，利用塔吊及100 t汽車吊對(duì)中段拱肋鋼管節(jié)段進(jìn)行拼裝，并適時(shí)安裝拱肋橫向連接系，形成大節(jié)段整體。

3）安裝提升吊架的前后錨固。前錨固采用精軋螺紋鋼，單個(gè)錨固點(diǎn)張拉力為150 kN；后錨固采用鋼絞線，單個(gè)錨固點(diǎn)張拉力為700 kN。

4）安裝提升用吊索及大節(jié)段水平對(duì)拉索（鋼絞線），并預(yù)拉10%的張拉索力。

5）拆除拼裝支架的鞍座、斜桿及托架，根據(jù)監(jiān)控指令張拉水平對(duì)拉索，使拱肋大節(jié)段脫空。

6）整體提升拱肋大節(jié)段至設(shè)計(jì)位置。

2.4 合龍方案

采用15 t導(dǎo)鏈將合龍段提升至設(shè)計(jì)位置，對(duì)位，調(diào)整，完成合龍段的拼接及焊接施工。由于合龍口可能受溫度影響而產(chǎn)生位移，合龍前須對(duì)合龍口狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，確定合龍時(shí)機(jī)。合龍后，釋放水平對(duì)拉索力，拆除水平對(duì)拉索及拼裝支架。

3 拱肋鋼管大節(jié)段整體提升控制

3.1 控制原則

拱肋鋼管大節(jié)段整體提升過(guò)程中，拱肋鋼管節(jié)段的位移及應(yīng)力狀態(tài)影響著拱肋的成橋狀態(tài)。拱肋鋼管節(jié)段水平順橋向的位移狀態(tài)影響拱肋大節(jié)段整體提升就位后與邊段的順利合龍，豎直方向的位移狀態(tài)影響拱肋的成橋線形。拱肋的施工控制方法主要采用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法，由于拱肋會(huì)在生產(chǎn)制造、拼裝施工過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的偏差，其成橋狀態(tài)與施工過(guò)程密切相關(guān)，因此很難完全達(dá)到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法描述的理想狀態(tài)，只能盡量接近。結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)的具體情況，可以認(rèn)為拱肋鋼管大節(jié)段在拼裝支架上拼裝成型時(shí)的狀態(tài)接近無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，以在支架拼裝一次落架的拱肋鋼管成型狀態(tài)作為目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行控制。將拱肋鋼管大節(jié)段整體提升的拱肋成型狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形接近且偏差在一定范圍時(shí)，可以認(rèn)為控制是合理的［6］。

綜上，拱肋大節(jié)段整體提升過(guò)程控制原則為：①整體提升過(guò)程中拱肋鋼管結(jié)構(gòu)安全；②與兩邊段順利合龍；③拱肋鋼管大節(jié)段整體提升的拱肋成型狀態(tài)與支架拼裝一次落架的拱肋成型狀態(tài)接近。

3.2 拱肋大節(jié)段整體提升時(shí)的受力狀態(tài)

拱肋大節(jié)段整體提升時(shí)，在每榀拱肋兩端布置水平對(duì)拉索以約束拱肋兩端水平變形；同時(shí)在每榀拱肋兩端位置設(shè)置提升用吊索，形成對(duì)拱肋的豎向支撐。因此，拱肋大節(jié)段整體提升過(guò)程中的總體受力狀態(tài)為：在拱肋大節(jié)段自重、水平對(duì)拉索力、豎向提升力三者共同作用下，拱肋大節(jié)段形成自平衡狀態(tài)［7］。

通過(guò)施加準(zhǔn)確的水平對(duì)拉索索力并采取合理的施工措施和監(jiān)測(cè)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)拱肋大節(jié)段整體提升的控制要求。其中關(guān)鍵控制參數(shù)水平對(duì)拉索索力的確定較為復(fù)雜，也至關(guān)重要。

3.3 拱肋大節(jié)段整體提升計(jì)算模型

利用MIDAS 建立拱肋大節(jié)段整體提升及全橋施工過(guò)程計(jì)算模型，見(jiàn)圖4。模型中，拱肋大節(jié)段的拱肋結(jié)構(gòu)及其聯(lián)結(jié)系采用梁?jiǎn)卧M，形成空間三維結(jié)構(gòu)模型；水平對(duì)拉索采用索單元進(jìn)行模擬；邊界條件按照施工過(guò)程中的實(shí)際情況模擬。水平對(duì)拉索為主動(dòng)張拉，通過(guò)施加單元初拉力進(jìn)行模擬，經(jīng)反復(fù)試算確定其索力。豎向吊索被動(dòng)受力，承受拱肋結(jié)構(gòu)豎向荷載，起豎向支撐的作用，共4個(gè)吊點(diǎn)。

圖4 拱肋大節(jié)段整體提升及全橋施工過(guò)程計(jì)算模型

3.4 水平對(duì)拉索力的計(jì)算

計(jì)算水平對(duì)拉索力時(shí)的控制參數(shù)包括：拱肋大節(jié)段兩端的水平位移X、中部的豎向位移Z及拱肋大節(jié)段根部應(yīng)力σ1、1/4 跨度處的應(yīng)力σ2、1/2 跨度處的應(yīng)力σ3。拱肋大節(jié)段整體提升的拱肋成型狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)下各控制參數(shù)的允許偏差見(jiàn)表1。

表1 控制參數(shù)允許偏差

具體計(jì)算步驟為：①設(shè)置水平對(duì)拉索的軸向剛度為無(wú)窮大，使水平對(duì)拉索被動(dòng)受力，得到索力初始值。②微調(diào)水平對(duì)拉索力，使得拱肋大節(jié)段兩端的水平位移X盡量為0，確保順利合龍。③在確保X處于表1 的允許偏差范圍前提下，繼續(xù)微調(diào)水平對(duì)拉索力，通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算，使各控制參數(shù)滿足表1的要求。

經(jīng)反復(fù)迭代計(jì)算，當(dāng)水平對(duì)拉索力為2 325 kN時(shí)，整體提升狀態(tài)下拱肋大節(jié)段兩端水平位移為0，滿足合龍要求。拱肋成型后中間豎向位移最大偏差為1 mm，拱肋應(yīng)力最大偏差為1.2 MPa，均滿足控制要求。拱肋施工成型現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖5 拱肋成型現(xiàn)場(chǎng)

上述計(jì)算是在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下進(jìn)行的，實(shí)際施工時(shí)拱肋大節(jié)段的整體溫度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度存在偏差ΔT。為確保順利合龍，須對(duì)水平對(duì)拉索力進(jìn)行溫度修正。以5 ℃的溫度差值步長(zhǎng)計(jì)算ΔT=-10～10 ℃的水平對(duì)拉索力并進(jìn)行線性擬合，見(jiàn)圖6。可知，水平對(duì)拉索力與拱肋大節(jié)段整體溫度線性相關(guān)，可根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度差值進(jìn)行線性修正［8］。

圖6 水平對(duì)拉索力與拱肋大節(jié)段整體溫度的關(guān)系

3.5 吊點(diǎn)提升不同步的影響分析

拱肋大節(jié)段整體提升過(guò)程中，理論上4 個(gè)吊點(diǎn)應(yīng)同步起吊，4個(gè)吊點(diǎn)不產(chǎn)生相對(duì)高差，但實(shí)際施工中很難做到。起吊不同步時(shí)拱肋提升節(jié)段的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生一定的變化，可能影響整體結(jié)構(gòu)安全。因此，須研究吊點(diǎn)提升不同步對(duì)拱肋受力的影響。

結(jié)合實(shí)際情況，吊點(diǎn)相對(duì)高差按最大50 mm 控制，列舉提升過(guò)程中可能存在的幾種不同步工況，并計(jì)算各工況下大節(jié)段的應(yīng)力，見(jiàn)表2。其中，工況1 為標(biāo)準(zhǔn)工況；Δ1—Δ4分別為1#—4#吊點(diǎn)的相對(duì)高差；σ拉，σ壓分別為最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力；Δσ拉，Δσ壓為各不同步工況最大拉、壓應(yīng)力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工況的偏差。可知：工況6的拉應(yīng)力偏差最大，比標(biāo)準(zhǔn)工況高379%；其次為工況5、工況2，分別比標(biāo)準(zhǔn)工況高282%，184%。工況6的壓應(yīng)力偏差最大，比標(biāo)準(zhǔn)工況高36%；其次為工況5、工況2，分別比標(biāo)準(zhǔn)工況高10%，5%。工況3、工況4的拉、壓應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)工況略高；工況7、工況8與標(biāo)準(zhǔn)工況一致。因此，從主體結(jié)構(gòu)受力分析來(lái)看，應(yīng)盡量避免提升吊點(diǎn)不同步工況的發(fā)生，特別是對(duì)角吊點(diǎn)的不同步提升。

表2 各工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托新建漢十鐵路安陸府河特大橋主橋連續(xù)剛構(gòu)-柔性拱組合結(jié)構(gòu)，針對(duì)拱肋鋼管大節(jié)段提升施工過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了水平對(duì)拉索的張拉力及施工過(guò)程中拱肋鋼管的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)并順利合龍。目前該橋已順利建成通車。本文提出的水平對(duì)拉索力的確定方法以及提升過(guò)程中的計(jì)算分析可供類似工程參考。