雙跨連續拱橋纜索吊裝系統設計及計算分析

翁哲夫，鄭 健

(1.廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029; 2.廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

1 工程背景

某橋主橋采用上承式雙跨連續拱橋方案,為世界在建跨徑最大的雙跨連續拱橋。大橋單拱計算跨徑380 m,矢高80 m,矢跨比1/4.75,拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數1.55。

主拱桁采用鋼管混凝土變高度空間桁架,四肢格構結構,斷面高度從拱頂6.5 m變化到拱腳11.0 m,單側拱桁寬7.5 m。兩幅拱桁橫向中心距17.5 m。單幅拱桁弦管由4肢φ1 400 mm鋼管組成,上弦管自拱腳至拱頂壁厚分為35 mm,32 mm;下弦管自拱腳至拱頂壁厚分為35 mm,32 mm,28 mm。弦管對接接頭采用內法蘭盤栓接、管外焊接的形式進行連接。管內灌注C70自密實微膨脹混凝土。大橋采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工,橋型布置如圖1所示。

2 纜索吊裝系統設計

大橋纜索吊系統選用雙塔三跨方案,吊裝系統設計分主系統和工作索系統兩種類型,每種類型均設計為兩套獨立系統。主系統跨徑布置為355 m+900 m+350 m,單套系統設計吊重105 t,單個吊點最大吊重70 t,垂跨比1/14,主要用于主拱肋、拱上立柱及蓋梁、橋面梁等安裝,塔頂索鞍設計為可橫移式,最大橫移距離17.5 m;工作索跨徑布置280 m+900 m+308.3 m,單套系統設計吊重10 t,垂跨比1/14,主要用于拱肋節段之間的風撐平聯、剪刀撐等以及施工期間的小型機具、材料和構件的運輸。受場地條件限制,邊跨索布置呈外八字形式,最大偏角5°。大橋纜索吊裝系統布置如圖2所示。主要桿件統計見表1。

表1 主要桿件統計

3 有限元模型的建立

利用空間有限元程序MIDAS/civil 2019建立大橋拱肋吊裝分析模型,拱肋吊裝順序按實際施工順序模擬,拱肋容重按每節段實際吊重進行修正。大橋單拱半跨分8個節段安裝,全橋共劃分為64個吊裝節段。大橋有限元模型如圖3所示。

模型主要單元類型、材料名稱以及截面形狀尺寸如表1所示。

4 纜索吊裝控制計算及結果分析

4.1 計算方法

對于鋼管混凝土拱橋纜索吊裝斜拉扣掛法施工而言,其關鍵在于拱肋扣索力和節段預抬量的求解。以“零彎矩法”為代表的解析法是CFST拱橋斜拉扣掛施工優化計算的重要方法[1],可以快速估算出結構施工過程中各扣索索力和各施工吊裝階段的預抬高值等,然而,由于該方法無法準確計算復雜桁式鋼管混凝土拱肋的重心位置和計算長度等重要問題,因而計算精度較低。

為克服傳統計算方法計算效率低、精度差、過程煩瑣等問題,秦大燕等[2]基于影響矩陣原理和最優化理論提出了“過程最優,結果可控”扣索一次張拉索力算法,本橋利用該方法進行纜索吊裝施工控制計算,其詳細計算流程如圖4所示。

4.2 計算結果分析

以裸拱自重作用下的線形作為拱肋拆索后的目標線形,結合“過程最優,結果可控”一次張拉施工優化計算方法,獲得實際施工過程中各施工階段控制點位移和扣索索力。由于大橋整體結構對稱,限于篇幅,僅提取單拱1/4肋拱肋線形和扣索張拉力計算結果,結果見圖5,圖6。

由圖5可得,在整個纜索吊裝施工歷程中,拱肋線形變化較為平順,拱肋松索后控制點線形與目標裸拱自重作用下線形偏差最大僅為19 mm,松索線形走勢基本與目標線形一致,且在拱肋施工歷程線形包絡范圍內波動較小,可見該組計算結果在施工過程中具有較高的安全性。

由圖6可得,隨著纜索吊裝施工的進行,扣索力呈遞增趨勢,扣索力變化較為平穩[3],無劇烈突變,可用于指導施工。

根據MIDAS/civil計算結果,可得到各扣索在施工歷程中的索力最大值,根據該值在考慮鋼絞線2倍安全系數的基礎上,進一步得到各扣索鋼絞線配束,結果見表2。

表2 扣索配束結果

4.3 實測結果對比分析

取上述分析位置單拱1/4肋松索成拱線形和扣索實際張拉力與計算結果進行對比分析,結果如圖7,圖8所示。

由圖7可得,拱肋松索成拱后與目標線形最大偏差控制在24 mm內,滿足JTG F80/1—2017公路工程質量檢驗評定標準中拱肋高程偏差(不大于L/3 000且不超過50 mm)要求[4],線形控制好。

由圖8可得,就拱肋扣索力而言,實測索力張拉值與理論計算值最大誤差控制在9%以內,過程無劇烈突變,可見扣索力計算精度較高。

5 結語

以某主跨2×405 m世界在建最大跨上承式雙跨連續拱橋為工程背景,詳細介紹了其纜索吊裝系統設計并對其纜索吊裝過程進行了仿真分析,得到如下結論:

1)考慮到現場實際情況,纜索吊裝系統采用雙塔三跨方案,主索和工作索系統單獨設置,且均設計為兩套系統。主索系統跨徑布置為355 m+900 m+350 m,單套系統設計吊重為105 t;工作索系統跨徑布置為280 m+900 m+308.3 m,單套系統設計吊重為10 t。

2)采用“過程最優,結果可控”一次張拉施工優化計算方法來計算扣索力、節段預抬量,可以達到很好控制拱圈線形的目的,可將成拱松索后拱圈線形與裸拱自重作用下的線形偏差控制在24 mm內,實際扣索張拉力與理論扣索張拉力最大誤差控制在9%以內。