拱橋斜拉扣掛系統(tǒng)高效拆除技術(shù)研究★

陳澤彬，周弟松

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

拱橋結(jié)構(gòu)合理、承載能力強(qiáng)、耐久性好、剛度是懸索橋和斜拉橋的幾倍到十幾倍,維護(hù)費(fèi)用低,在適宜條件下具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[1-3]。拱橋施工主要有支架法[4-6]、轉(zhuǎn)體法[7]、整體吊裝法[8]、纜索吊運(yùn)斜拉扣掛法[9-10]等,其中大跨徑拱橋多采用纜索吊運(yùn)斜拉扣掛施工技術(shù)。隨著拱橋跨徑的增大,其斜拉扣掛系統(tǒng)數(shù)量也越來越繁多,采用傳統(tǒng)方法拆除斜拉扣掛扣索系統(tǒng)導(dǎo)致拱橋合龍后拆索工作量較大。

現(xiàn)有的拱橋斜拉扣掛系統(tǒng)拆除多采用扣索逐級卸載的方式,通過將拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)由下而上依次循環(huán)卸載扣索,每次將扣索卸載10 kN,直至各扣索索力變?yōu)榱恪Ｔ撌┕すに囋砗唵巍⑺悸非逦?但是由于拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)數(shù)量繁多、各扣索間距較密集,導(dǎo)致實(shí)際操作過程中施工量大、耗時(shí)久。基于此,文獻(xiàn)[11]提出了將斜拉扣掛系統(tǒng)部分扣索在拱圈合龍之前拆除,節(jié)約了施工工期,提高了施工效率。但是由于拱圈在合龍前處于懸臂狀態(tài),提前拆索施工風(fēng)險(xiǎn)較大,且容易影響拱圈的合龍精度。基于此,一種更加快捷、安全的扣索系統(tǒng)拆除方法有待進(jìn)一步研究。

本文根據(jù)拆除側(cè)纜風(fēng)繩的施工階段和拆除斜拉扣掛系統(tǒng)最后一道扣索施工階段的線形交點(diǎn),然后結(jié)合拆除交點(diǎn)前各扣索和交點(diǎn)后各扣索對拱圈線形的影響規(guī)律,選擇幾種拆索順序,再從拱圈線形、扣索索力和拱圈應(yīng)力三個(gè)方面進(jìn)行對比分析,從而提出一種最優(yōu)的扣索拆除方案。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

如圖1所示,某大跨徑中承式鋼管混凝土拱橋主拱圈跨徑為528 m,拱軸線采用高次拋物線,矢高為123.25 m。拱肋截面為四管桁式格構(gòu)式截面形式,拱腳至拱頂截面高度由15.7 m漸變至7.9 m,管內(nèi)采用C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。橋面系以上拱肋的橫向連接采用“X”型撐,橋面系以下的拱肋連接采用“K”型撐和“X”型撐連接。

1.2 斜拉扣掛總體布置

纜索吊運(yùn)系統(tǒng)跨徑布置為(434.73+680.52+319.01) m,塔架采用“吊扣合一”裝配式重型鋼管塔架,拱圈由兩片拱肋通過橫聯(lián)連接成整體,每一片拱肋由18個(gè)節(jié)段連接而成,全橋合計(jì)36個(gè)拱肋節(jié)段。拱肋最大節(jié)段質(zhì)量212.8 t,充分考慮安全系數(shù),纜索吊運(yùn)系統(tǒng)最大吊裝質(zhì)量為220 t,主索系統(tǒng)為兩套。斜拉扣掛系統(tǒng)布置圖如圖2所示。

2 斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆除

拱圈合龍后,接著拆除拱橋側(cè)纜風(fēng)繩,然后再進(jìn)行拱橋斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆除施工,以單片拱肋單跨拱肋結(jié)構(gòu)各控制點(diǎn)線形為分析對象,當(dāng)按照1號→2號→3號→4號→5號→6號→7號→8號→9號的順序拆除扣索,線形如圖3所示。

由圖3(a)可知,隨著各扣索拆除過程,B106控制點(diǎn)線形變化很小,較拆除扣索前,位移變化控制在50 mm以內(nèi),可將該控制點(diǎn)視為“鈍點(diǎn)”,該鈍點(diǎn)接近1/4跨徑的位置。另一方面,也可以看出,各扣索拆除過程中,B102—B105控制點(diǎn)下?lián)?B107—B109控制點(diǎn)位移向上抬,二者呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。此外,由圖3(b)可知,在拆除扣索過程中,較多的控制點(diǎn)跳出了B101和B109的包絡(luò)線以外,表征拆索過程中將產(chǎn)生一定的附加變形和內(nèi)力,從而影響施工安全。基于此,需合理選擇拆索順序,從而保障拆索施工過程中安全、高效。

2.1 原拆索方案及存在的問題

為確保斜拉扣掛系統(tǒng)拆索過程中的安全問題,多通過將斜拉扣掛系統(tǒng)各扣索由下而上依次循環(huán)卸載,采用逐級卸載的方式(通常每次逐級卸載為10 kN),直至各扣索索力為零。就本工程項(xiàng)目而言,主跨528 m的鋼管拱橋,全橋斜拉扣掛系統(tǒng)扣索達(dá)200多根,每根扣索達(dá)700 kN～900 kN,每次卸載10 kN,施工工作量非常大。

2.2 斜拉扣掛系統(tǒng)高效拆除方法

根據(jù)圖3(b)所示,拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)拆除過程中,以6號扣索為分界線,拆除扣索1號—5號拱圈各控制點(diǎn)位移變化與拆除扣索7號—9號規(guī)律相反,即可采用從拱腳到l/4和l/4到拱頂交替一次拆除扣索可實(shí)現(xiàn)拆索過程中線形補(bǔ)償。基于此,可通過將扣索1號—5號與扣索7號—9號交替拆除,以實(shí)現(xiàn)斜拉扣掛系統(tǒng)拆除過程中線形補(bǔ)償,防止施工過程中由于拱圈線形變化過大而導(dǎo)致的施工風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)拆索方案的不同,這里對1→2→3→7→4→5→8→9→6(方案一)、1→2→3→9→4→5→7→8→6(方案二)和1→2→9→3→4→8→5→7→6(方案三)三種不同的拆除扣索方案進(jìn)行計(jì)算分析,從拱圈線形、索力和拱圈應(yīng)力三個(gè)方面優(yōu)選出最優(yōu)的拆索順序。

3 各拆索方案對比與分析

3.1 線形

由圖4可知,以拆除側(cè)纜風(fēng)繩線形為參考線形,拆除扣索1號對拱圈線形影響很小。因此,拆索過程中各控制點(diǎn)安全程度可由拆除側(cè)纜風(fēng)繩和拆除最后一道扣索所形成的包絡(luò)圖為參考基準(zhǔn),當(dāng)施工過程中各控制點(diǎn)線形偏離這個(gè)包絡(luò)圖越遠(yuǎn),表征施工過程中附加變形和內(nèi)力就越大,施工過程中就越不安全。基于此,由圖4可知,方案一中B107—B109控制點(diǎn)偏離包絡(luò)圖有一定距離,最大偏差為拆除5號扣索時(shí),B109偏離包絡(luò)圖達(dá)40 mm以上,具有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)。方案三中,也存在偏離包絡(luò)圖的情況,其中拆除9號扣索時(shí),B109偏離包絡(luò)圖約30 mm,同樣具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。方案二中施工過程中各控制點(diǎn)施工線形始終處于包絡(luò)圖以內(nèi),為三種拆索方案中最合理線形。

3.2 索力

進(jìn)一步地,對拆索過程中各扣索索力變化進(jìn)行對比分析。由圖5可知,整個(gè)斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆除過程中,各扣索索力值變化很小,表征本文提出的從拱腳到“鈍點(diǎn)”和“鈍點(diǎn)”到拱頂交替逐根拆除扣索的快速拆索方法具有良好的索力均勻度,扣索逐根拆除施工過程中風(fēng)險(xiǎn)較小、安全性好。此外,也進(jìn)一步表明了以“鈍點(diǎn)”為基準(zhǔn)點(diǎn)的不同組合交替拆索順序?qū)λ髁鶆蛐杂绊懕容^小,均具有良好的索力均勻性。

3.3 應(yīng)力

拱圈主拱肋采用Q420鋼材,其余桿件采用Q355,為確保拆索過程中拱圈的施工安全性,對拱圈應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見圖6。

由圖6所示,拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆除過程中,結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力分別控制在165 MPa和80 MPa以內(nèi),均處于線彈性受力階段,較材料允許強(qiáng)度均有較大的安全富余,表征本文提出的從拱腳到“鈍點(diǎn)”和“鈍點(diǎn)”到拱頂交替逐根拆除扣索的快速拆索方法具有拱圈應(yīng)力小、施工過程中風(fēng)險(xiǎn)較小、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。此外,也進(jìn)一步表明了以“鈍點(diǎn)”為基準(zhǔn)點(diǎn)的不同組合交替拆索順序?qū)叭?yīng)力影響比較小,均具有良好的施工安全性。此外,在整個(gè)斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆除過程中,拱圈應(yīng)力變化較小,拱圈安全性較好。再者,拆索過程中,組合應(yīng)力約為軸向應(yīng)力的兩倍,表征結(jié)構(gòu)各構(gòu)件以壓彎為主。

4 結(jié)語

以主跨528 m中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ桃劳?針對拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)扣索繁多、拆索工作量大的現(xiàn)狀,提出扣索系統(tǒng)按照一定的順序逐根拆除的高效拆除方法。為確定最優(yōu)的扣索拆除方法,從拱圈線形、索力和最大應(yīng)力三個(gè)方面對三種不同的扣索拆除順序進(jìn)行對比分析,計(jì)算結(jié)論如下:

1)就線形而言,拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)扣索不同的拆索順序?qū)€形影響較大,其中,方案二“1→2→3→9→4→5→7→8→6”拆索順序線形效果最好,拆索過程中各控制點(diǎn)基本上處于拆除側(cè)纜風(fēng)繩和拱圈扣索全部拆除兩個(gè)施工階段所形成的包絡(luò)圖以內(nèi),施工安全性較好。

2)斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆除過程中,各拆索方案扣索力差異很小,而且拆索過程中各扣索力變化均很小,無明顯突變情況,施工安全性較好。

3)拱圈斜拉扣掛系統(tǒng)扣索拆索過程中,拱圈軸向應(yīng)力和組合應(yīng)力變化幅度分別控制在20 MPa和10 MPa以內(nèi),變化幅度較小,施工安全性較好。此外,計(jì)算表明不同的扣索拆索順序?qū)叭?yīng)力影響很小,結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)。再者,根據(jù)軸向應(yīng)力和組合應(yīng)力的計(jì)算對比也進(jìn)一步表明了拱圈構(gòu)件以壓彎為主。