大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋施工技術

莫鳳

文章以廣西平南三橋的拱肋吊裝為研究背景，對大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節段架設施工、扣索索力問題進行了研究。混凝土灌注時，南岸和北岸拱肋橫向偏位基本一致，拱肋失穩可能性降低。通過計算扣索索力，對比仿真計算分析技術、零彎矩法和零位移法的索力值，得到零彎矩法和零位移法的索力值誤差較大，而仿真計算分析技術索力值誤差較小。在拱肋拱軸線形偏差研究中，分析了三種技術應用效果，實驗結果表明仿真計算分析技術設計的拱軸線與期望拱軸線最為接近，說明施工效果較好。從實驗結果中可以看出，結合ANSYS軟件分析功能，該技術能較好地保證大跨度鋼管混凝土拱橋的穩定性，其索力值最大誤差為1.2，拱形偏差1 cm。

大跨度鋼管混凝土;拱橋拱肋;施工;仿真計算分析;索力

U448.33A230794

0 引言

近幾年來，我國建造了越來越多的大跨度拱橋，這種鋼管混凝土橋梁具有結構美觀、受力大、節約大量建筑材料等優點[1]。伴隨著鋼管混凝土拱橋建設的增多，推動了橋梁結構分析設計理論與施工技術的創新與發展[2]。但從我國鋼管混凝土拱橋的發展歷史和經驗來看，傳統的設計理論和施工工藝存在著諸多問題。如一些鋼管混凝土拱橋缺乏合理的設計和施工規范，成橋后在拱背混凝土中出現空鼓現象，造成拱橋質量下降。由于施工方法和安裝次序都與拱橋的拱圈形狀以及拱橋的結構內力密切相關，而且由于拱橋的結構體系、施工階段和荷載條件的不同，其內力和變形也會發生變化，因此有必要對拱橋拱肋的安裝過程進行詳細分析。鋼管拱肋斜拉扣掛式懸臂式扣索是由鋼絞線或高強度鋼絲索制成，利用錨具固定兩端，工作狀態類似斜拉橋上的纜索，與傳統索具相比，工作條件較好，節省材料，且可一次性拉出[3]。

對于在鋼管拱肋鋼索吊裝中的斜拉索吊裝施工工藝，有很多方法來確定索力值。部分學者和橋梁設計施工專業人員使用了一種以手動調節拉索受力為主要思想的“零彎矩法”，該方法可實現拉索各拱肋連接處的零彎矩。其不足之處是沒有考慮扣塔和錨索的作用，錨索數量調整過多，“接頭彎矩為零”不適用。之后，又提出了“零位移法”的技術手段，零位移法的基本思想是假定鋼管拱肋上所有索點都能在索力就位后達到預設的拱軸和標高，采用有限元模型計算各拱肋的索力。其缺點是忽略了吊裝連接的影響，導致索力增量計算結果不準確。因此有必要對鋼管混凝土大跨度拱橋拱肋施工過程進行模擬分析，以解決存在的問題。本文以廣西平南三橋拱肋吊裝索的受力分析為背景，并與實測數據進行對比分析。

1 大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節段架設施工過程

本文以橫跨潯江的一座特大橋——廣西平南三橋為例，對全長1 035 m、主橋全長575 m的大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋施工進行分析。

1.1 拱橋拱肋節段吊裝

橋上鋼管拱肋的吊裝系統采用吊索系統的吊鉤形式，以門式塔為主要塔型，利用萬向桿鉸接下端，上扣塔連接拱腳墩。升降系統由絞盤、鋼絲繩和跑車組成，該系統在提升過程中由主繩上的牽引力提升，固定緊固索采用15.24 mm預應力鋼鉸線，標準強度為1 860 MPa，上下對稱布置。鋼鉸線錨采用P型擠出錨固在拱肋扣上，然后相應的索鞍通過扣塔座進入地錨，穿過地錨上的張拉梁，再用夾子夾住張拉錨桿的千斤頂，以達到調節拱肋扣高度、錨固拱肋的目的。在提升過程中，每個肋骨的穩定性也受每個肋骨控制，肋骨軸線也受索橫風的調節[4]。通過對索吊系統設計承載力的分析，確定該橋上、下拱肋分別為44、29，共22根，其中提升12根。要求拱的靶面之間位移≤30 mm，拱的對接誤差不能超過3 mm，拱的軸線橫向位移≤10 mm。

每一個拱肋的安裝應按以下程序進行：（1）觀察鋼拱肋前緣各測點的標高，并將其調整到理想位置;（2）安裝纜索，但不加力（只是為了克服重量）[5];（3）在索鉤吊裝起拱肋軸線正下方運輸的拱肋段，調整縱角（沿橋），用橫向索調整橫角;（4）臨時架設連接完成后，進行螺栓結構安裝;（5）在吊車進行其他作業時，電纜緊固力調整為彈力;（6）利用仿真計算得到的力值調整索力，使鋼管拱盡可能接近理想位置，高強度螺栓采用偏心微調緊，對稱下提[6]。

1.2 拱肋合龍

安裝拱肋時，由于各體系受力最大，安全系數最小，因此，對鋼管拱的成功合龍是最終控制的關鍵，也是最危險的環節，所以必須設計合理的合龍方式及施工工藝。

為了保證最終合龍的安全性，廣西平南三橋采用單側預埋式，跨中留空，對鋼管桁架的處理遵循對稱性原理，先對稱兩側的臺面，第一等待段為梁底與橫臂之間，第二等待段為上，第三等待段為鋼管拱肋吊裝的最后北面，鋼管拱肋吊裝南岸，調整吊裝高度，往復第一等待段;第一等待段結束后，采用套焊方式，第一等待段固定后，將切口永久關閉[7]。這同樣適用于上游和下游。再次測量拱肋合龍前的截面高度、軸線及索力。通過調節索力和索風，在保證索力安全的前提下，使北拱拱肋的高度誤差和拱軸誤差達到設計允許值。

1.3 松扣索

廣西平南三橋拱肋上、下合龍時，主弦節點、橫梁焊接完畢。拱腳主弦管焊接補強后，松散拉索索力程序如下：（1）千斤頂離拱腳一步一步地松開1/4串扣索力，兩側對稱，分批同步[8];（2）當拱肋標高較高時，應注意索應先松后緊，并可通過重力軸對其進行調整，使其與設計值更吻合[9];（3）為確保混凝土澆筑過程中鋼管的安全，鋼絲繩松開后應保持不動，以便在鋼絲應力超過極限值時，能局部調整。

1.4 線纜吊裝

本項目主要研究廣西平南三橋空鋼管析架拱肋的吊裝方案，包括目標函數、設計變量、狀態變量，設計無支撐吊裝系統，采用預應力鋼絲繩吊裝。線纜升降系統的主塔為門式塔，其下端由一根萬向桿支撐，并用6根密封鋼絲繩封住，弧垂直徑為20.0 m。升降系統由升降機、鋼絲繩和跑車組成，各個部分通過牽引繩與主繩相連。廣西平南三橋拱肋吊裝斜拉系統是一種不受纜索吊裝系統影響的系統，扣式塔架也是門式萬能桿，底部有鉸鏈，因客觀條件限制，南北塔高存在差異[10]。

懸吊扣掛系統的扣索采用15.25 mm預應力鋼鉸線，通過以下方法實現錨固：P型錨碇由預應力鋼鉸線推進至錨肋點，相應的索鞍由懸吊塔進入錨固位置，通過錨上拉力調整錨肋高度和錨固拱肋高度，千斤頂用夾具和錨具張拉[11]。該橋拱上、下拱肋對稱性地分為22節，整座橋共有44節拱肋，采用弓形肋骨交叉留置間隙，單側嵌合折疊。其折疊形式為：鋼管桁架遵循對稱的原則，上下兩截21齊頭并進，上兩截22位于南端，上兩截22位于上兩截22之間。兩端拉索的錨固結構受橋梁兩側地形和橋塔高度的限制，與橋梁中跨、懸吊系統等均不對稱[12]。圖1為廣西平南三橋纜索吊裝系統。

2 大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節段架扣索索力計算

2.1 索力分析模型構建

對大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋某個吊裝階段，使用空間梁單元有限元控制方程來描述，由此構建索力分析模型：

Wx=F（1）

式中：

W——大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝整體剛度矩陣;

x——拱橋拱肋吊裝節點位移向量;

F——拱橋拱肋吊裝節點等效力向量[13]。

針對某個特定的吊裝階段，拱橋拱肋吊裝節點位移向量是索力向量的函數，可表示為：

x=x（G）（2）

結合式（2），可將求索力問題轉化為有約束條件的極小值問題，表達式為：

min：f（G）=∑i（xj（G）-xj）2（3）

式中：

f——最小目標函數，作為約束條件的求索力;

G——扣索索力向量組;

xj——吊裝節點位移狀態變量[14]。

式（3）的約束條件為：

Gi≥0，i=1，2…Nh≤Xj（G）≤h，j=1，2…H（4）

式中：

Gi——第i個位置扣索的索力值;

Xj（G）——拱橋拱肋第j個節點豎向位移狀態變量;

h和h——分別拱肋標高偏差上下限;

N——扣索數量;

H——標高節點的總數。

2.2 扣索索力計算

扣掛系統設計為對稱體系，分為南、北兩岸，保證扣塔高度、扣索的組數、水平傾角及扣點位置全部相同，而且兩側位置與原設計岸扣一致，上、下游拱軸線標高偏差如圖2所示。

由圖2可知，該預埋式仍采用留置空間預埋式，但已由單邊式改為雙邊式，即在第6節上下段預埋式安裝完畢后，再進行跨中預埋式。在這一工序中，假定鋼管拱肋吊裝時，索力計算精度較低，且安裝誤差較大，當拱肋合龍時，上下拱肋的實測線值相差較大，因此索力調整的最佳數量只有在完成4～5 cm后才能確定，從而達到設計要求。拱肋順利合龍后，在最佳條件下，其線形和受力狀態都能滿足設計要求[15]。將調整線各扣索索力的調整量作為最優設計變量，大橋南北半跨拱肋各有22對扣索，同側拱肋上各扣索索力應相同，總設計變量n=22。

由于最不利應力產生在扣索力的調整范圍、鋼管拱肋高程控制點的變形以及受內力控制的截面上，必須進行變量的約束。因此將狀態變量設置在索力調整的優化搜索計算中，扣索力設計值與扣索力的調節范圍、存在程度有關。各個扣索張力值及調整后的數值如表1所示。

由表1可知，經各個扣索力值調整后，南北兩岸索力值差異較小，因此完成鋼管混凝土大跨度拱橋拱肋施工，效果更為精確。

3 實驗

本文以廣西平南三橋拱肋吊裝為實驗對象，對所研究的大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋施工過程仿真計算分析技術有效性，進行實驗驗證分析。

3.1 基于ANSYS實驗過程分析

基于ANSYS實驗過程分析步驟如下：

步驟1：生成包含整個分析過程的循環分析文件，并具備以下條件：（1）參數化建模;（2）求解;（3）提取并指定狀態變量和目標函數。

步驟2：建立ANSYS數據庫，其中變量與ANSYS變量的參數相對應。

步驟3：根據參數指定分析文件。

步驟4：聲明優化變量。

步驟5：選擇優化工具或優化方法。

步驟6：指定最優循環控制模式。

步驟7：優化分析。

步驟8：檢查設計排序結果和后續處理。

根據上述分析過程，對扣索索力計算結果和拱軸線形偏差進行詳細分析，并將本文所研究的技術與傳統零彎矩法和零位移法進行對比。

3.2 扣索索力計算結果比較分析

結合ANSYS分析功能，分別采用本文提出的仿真計算分析技術、零彎矩法和零位移法對廣西平南三橋拱肋吊裝中南岸第1、5、10、12位置，北岸第11、15、20、22位置的扣索索力求取結果進行對比分析，并與實際施工期望索力值進行比較，如表2所示。

由表2可知，使用零彎矩法與實際施工期望索力值的最大誤差為2.8;使用零位移法與實際施工期望索力值的最大誤差為1.8;使用仿真計算分析技術與實際施工期望索力值的最大誤差為1.2。通過該對比結果可知，使用仿真計算分析技術的扣索索力計算結果與實際施工期望索力值更加接近。

3.3 拱軸線形偏差比較分析

采用本文提出的仿真計算分析技術、零彎矩法和零位移法對廣西平南三橋拱肋的拱軸線形偏差進行對比分析，對比結果如圖3所示。

由圖3可知，使用仿真計算分析技術的拱軸線與期望拱軸線最為接近，拱形偏差最大為1 cm;使用零彎矩法與期望拱軸線相差最大，最大拱形偏差為14.5 cm;使用零位移法最大拱形偏差為4.9 cm。通過該對比結果可知，使用仿真計算分析技術設計的拱軸線與期望拱軸線最為接近。

根據以上分析結果，可以得出以下結論：采用模擬計算分析技術，對拱橋拱肋段的架設進行分析，對44節拱肋扣索的索力值進行精確計算，雖然計算結果有一定的偏差，但與實際施工的期望索力值接近，影響較小，且模擬計算分析技術的拱軸線與預期拱軸線最接近，說明該施工技術具有良好的施工效果。

4 結語

本文以廣西平南三橋的拱肋吊裝為研究背景，對大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節段架設施工、扣索索力問題進行了研究。混凝土灌注時，南岸和北岸拱肋橫向偏位基本一致，拱肋失穩可能性降低。通過計算扣索索力，對比仿真計算分析技術、零彎矩法和零位移法的索力值，得到零彎矩法和零位移法的索力值誤差較大，而仿真計算分析技術索力值誤差較小。在拱肋拱軸線形偏差研究中，分析了三種技術的應用效果。實驗結果表明，仿真計算分析技術設計的拱軸線與期望拱軸線最為接近，說明施工效果較好。

通過模擬分析大跨度鋼管混凝土拱橋的施工過程，能夠解決節段架設和索力計算問題，有效保障拱橋的施工質量。但受建筑環境及一些外部因素的影響，仍有一些問題有待進一步探討：

（1）對于大跨度鋼管混凝土拱橋，盡管全部采用了膨脹混凝土，但密實性仍難以保證。研究結果表明，如果混凝土不密實，鋼管混凝土結構的承載能力將大大降低。

（2）受溫度變化影響，鋼管內溫度在溫度荷載作用下快速發生變化，而鋼管混凝土的溫度變化較慢，導致鋼管應力增大，會產生二次溫度應力，使混凝土應力降低。因此，對大跨徑鋼管混凝土拱橋應力分析應考慮溫度荷載作用的影響。

（3）目前，鋼管混凝土應力-應變關系的理論基礎是室內試驗，針對戶外鋼管混凝土的應力-應變關系還不夠成熟，需要進一步深入研究。

（4）針對大跨徑鋼筋混凝土拱橋拱肋建設，應嚴格規范其設計和施工方案。增加對膨脹混凝土收縮徐變特性的研究，尤其是長期荷載作用下的收縮徐變模型，確保建筑質量。

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