鋼箱拱橋扣錨索一體化施工控制分析

2024-12-31 00:00:00車彬周弟松

西部交通科技 2024年7期

摘要：文章以云南某鋼箱拱橋為例，通過構建考慮扣塔偏位與扣索索鞍滑移影響下的等效邊界柔度計算模型，采用優化算法進行索力和線形的計算。結果表明：該方法能夠控制成橋后主拱圈線形與目標線形的偏差在10 mm內，有效減少施工過程中扣索索力的波動幅度；扣錨索一體化結構會引起扣塔頂部產生較大的偏位。

關鍵詞：鋼箱肋拱橋；施工控制；扣錨索一體化；斜拉扣掛

中圖分類號：U448.22

0 引言

近年來，斜拉扣掛纜索吊系統在大跨度拱橋的施工過程中得到了廣泛的應用，其中，扣錨索一體化已經成為一種主要的施工方法。扣錨索一體化施工的精準控制通常需要借助數值分析進行計算，因此精確的數值分析模型是研究的關鍵。周水興等［1］提出了對于扣錨索一體化的結構，通過反向延長扣索的方式，在計算索力張拉時，扣索與錨索的伸長量。韓玉等［2］提出了采用扣錨索一體化纜索施工系統的拱橋，推導了考慮扣塔抗推剛度的彈性支承計算公式。周琳淇［3］通過借鑒懸索橋對于扣錨索一體化結構的研究方法，實現了扣錨索一體化斜拉扣掛施工的ANSYS有限元模擬。李哲等［4］針對西芹大橋斜拉扣掛系統的非對稱特性，分析了非對稱斜拉扣掛法施工的可行性。李曄等［5］對采用不對稱纜索系統對重慶朝天門大橋進行全過程階段的索力優化控制計算。程錦輝［6］在對新安江大橋進行施工控制計算時，對非對稱斜拉扣掛系統的扣索索力進行了研究。

斜拉扣掛扣索形式可以分為扣索與錨索分離布置，以及扣索、錨索一體化布置兩種形式。為了控制扣塔沿縱橋方向的水平偏位，大多數斜拉扣掛施工的拱橋，采用的是扣錨分離的纜索系統布置形式，國內對于拱橋纜索施工系統的研究也大多集中于這方面。而對于扣錨索一體化的纜索系統，國內對其整體力學特性的研究還不夠充分。以上幾項研究僅論證了拱橋扣錨索一體化的可行性，而對于扣錨索一體化斜拉扣掛施工的拱橋，因扣索在索鞍處容易滑移，且扣塔易發生偏位，使施工過程中索力和拱段線形難以控制，導致在卸索之后的成拱階段很容易產生不對稱的拱軸線形。

本文針對鋼箱拱橋的扣錨索一體化斜拉扣掛施工過程，提出了一種能夠在考慮扣塔偏位與索鞍滑移影響下的等效邊界柔度計算模型，并通過優化算法進行索力和線形的計算。該計算模型能更有效地控制成橋線形與目標線形的差值在10 mm范圍內；計算得到施工過程中扣索索力的波動幅度能夠有效減小；扣錨索一體化結構會引起扣塔頂部產生較大的偏位。

1 工程概況

云南某鋼箱梁拱橋主拱圈計算跨徑為170 m，矢高為37.8 m，橋型結構為中承式，如圖1所示。該橋采用非對稱的吊裝系統，水富岸采用斜拉扣掛法和纜索吊裝施工方法，綏江岸則是錨固到一側的山體上進行扣索的張拉。半橋拱肋分為10個節段，設置10對扣索。

2 有限元模型的建立

采用有限元軟件Midas Civil軟件對該拱橋的主拱圈的纜索吊裝施工過程階段進行建模分析，有限元模型如圖2所示，扣索均采用空間桁架單元進行模擬，其余塔架和鋼箱拱采用空間梁單元進行模擬。主拱圈拱腳模擬固結，扣索與拱肋之間采用剛性連接模擬。

3 扣錨索一體化結構計算模型

3.1 單根索結構模型

對于給定設計長度的扣索，若扣索的初拉力發生改變，則扣索所對應的無應力長度就會產生相應改變［7-8］。當扣索初拉力設置完成后，扣索內部的索力大小取決于扣索的彈性模量、截面積、長度以及兩端扣點的剛度大小［9-10］。在不考慮索鞍處的滑動摩阻力時，索鞍點A和拱段扣點B所受到的索力荷載相等。同時認為扣塔在索鞍點A的豎向剛度遠大于其水平抗推剛度，扣塔的偏位是由索鞍點A的水平力產生的。在扣索中施加初拉力荷載，鋼箱拱上表面、扣索、錨索以及扣塔由設計位置到達初拉力荷載作用下的位置，索鞍點A和拱段扣點B的位移對應于扣索與錨索方向的投影長度，分別為AG、AH和BF，如圖3所示。

所有的位移投影長度的正負號規定是以扣索伸長為正，縮短為負。扣索中產生單位索力時，縮短長度為索鞍點A與拱軸扣點B的投影位移長度之和，記為等效邊界柔度，其反映的是與扣索的彈性柔度無關的柔度特性。此時扣索的等效邊界柔度為：

W=dK+dCPRE+dCPOST（1）

式中：W——扣索的等效邊界柔度，即扣索中產生單位索力增量時扣索的縮短長度值；

dK——扣點在扣索方向的投影位移；

dCPRE——索鞍點在扣索方向的投影位移；

dCPOST——索鞍點在錨索方向的投影位移。

扣索中的實際索力表示為：

F=L/ESW+L/ES（2）

式中：F——扣索中的實際索力；

L——扣索長度；

E——扣索的彈性模量；

S——扣索的截面積。

3.2 群索結構模型

圖4為依托橋梁使用的纜索施工系統，建立簡化群索模型的示意圖。

群索結構體系下，根據扣索1#中產生單位索力增量時各拱箱扣點產生的位移來建立平衡方程，以此來求解其余扣索中的索力增量，位移平衡方程如式（3）所示：

W2，2+dL2W3，2W4，2W5，2W2，3W3，3+dL3W4，3W5，3W2，4W3，4W4，4+dL4W5，4W2，5W3，5W4，5W5，5+dL5·dF1，2dF1，3dF1，4dF1，5=－1·W1，2W1，3W1，4W1，5（3）

式中：Wi，j——扣索i中產生單位索力增量時扣索j的等效邊界柔度；

dLi——扣索i的彈性柔度，即單位力荷載下索的伸長量，即L/ES；

dFi，j——扣索i中產生單位索力增量時扣索j中的扣索索力增量。

由平衡方程可以分別計算得到扣索1#～5#扣索中產生單位初拉力時，對應所有扣索中的索力增量dFi，j，將所有索力增量向量組合，構造索力增量矩陣ΔF。通過單位節點荷載作用在扣點產生的位移柔度矩陣N與公式FM=N×ΔF計算可得拱圈所有扣點關于扣索力的位移柔度矩陣FM。

采用索力優化模型，以成橋線形與目標線形之間的差值為控制目標，扣索索力用作構造邊界條件，求解成拱線形和扣索索力。將扣索力的柔度矩陣帶入優化模型計算扣索索力，優化模型如下：

設計變量：X=x1，x2，x3…，xnT（4）

目標函數：minf（x）=u1（x）-u2（x）（5）

約束條件：AX≤b ，α≤xi≤β（6）

式中：X——各節段扣索初拉力荷載組成的索力矩陣，X=x1，x2，x3…，xnT；

u1（x）、u2（x）——成橋線形和目標線形；

A——用于約束邊界條件的控制矩陣；

b——各施工階段的拱軸線形邊界控制值；

α、β——扣索索力邊界控制值。

4 施工控制計算

4.1 成橋線形結果分析

拱橋線形的控制目標是控制成橋的主拱圈線形與目標的主拱圈線形差值最小，本文方法得到的成橋階段各拱段控制點位移與目標線形的差值如下頁圖5所示。由圖5可知，零撓度法計算的主拱圈線形與目標線形結果相比，最大偏差為13.7 mm。而本文方法計算得到的主拱圈線形與目標線形結果相比，最大偏差為9.9 mm，成橋后計算得到的主拱圈線形誤差較小。其計算得到的拱肋豎向位移變化量與目標線形的最大偏差不超過《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2017）規范中50 mm的預期要求。同時，本文方法能夠有效提高對主拱線形的控制，使其滿足目標線形的要求。

4.2 施工過程中索力波動性分析

采用零撓度法和本文提出的扣錨索一體化力學模型分別進行扣索索力分析。以1#～5#扣索的分析結果為例，如圖7所示。由圖中可知，采用零位移法計算扣索力時，1#、2#扣索在工況1～4施工過程中扣索力隨著吊裝節段數的增加逐漸發生降低，扣索索力分別降低了32%、23%。而本文采用的方法計算得到的各扣索力變化波動性較低，1#、2#扣索索力在工況1～4施工過程中分別變化了11%、2%，說明該方法能夠有效克服傳統施工監控的缺陷，實現施工過程中各扣索索力變化率低的目的。

4.3 扣塔偏位分析

采用扣錨索一體化施工時，扣塔會沿順橋向方向產生偏位。本文扣塔共設有兩塊索鞍，分別設置在塔的頂部和中部，其中中部的索鞍用于1#～4#節段的拱段安裝，頂部的索鞍用于5#～10#節段的拱段安裝。因此，為了討論施工過程中扣塔偏位的變化情況，選取4#拱段和10#拱段安裝的兩個施工工況進行順橋向扣塔偏位分析，對應施工工況的扣塔偏位如圖7所示。

當張拉完成前四節段拱段后，此時扣塔塔頂的最大偏位為17.8 cm；當張拉完成所有拱段后，此時扣塔塔頂的最大偏位為29.1 cm。由此可知，扣錨索一體化結構會使扣塔塔頂發生較大的順橋向偏位，建議在施工過程中適當增加對扣塔偏位的監控頻率，尤其是在張拉完成每個拱段后。

5 結語

本文以云南某大橋為背景，針對采用非對稱的扣錨索一體化纜索施工系統進行斜拉扣掛施工的鋼箱肋拱橋，開展了施工控制計算方面的研究工作，得到的主要結論如下：

（1）將纜索施工系統中的主拱圈、扣塔和扣索的結構構造和材料特性量化為參數，以柔度法為理論基礎，推導了在考慮扣索索鞍滑移與扣塔偏位的前提下，拱軸控制點在初拉力荷載下柔度矩陣的構造公式。該計算公式具有幾何關系明確和計算簡便以及便于編程的優點。

（2）基于扣錨索一體化計算模型，計算得到的扣索索力的波動性較零撓度法計算結果更低。同時，能夠實現成拱線形對稱且與目標線形誤差較小，誤差最大值為9.9 mm，不超過《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2017）中50 mm的規范要求，表明該算法可有效用于實際工程。

（3）對扣錨索一體化結構的扣塔偏位進行分析，發現該結構會使扣塔塔頂在順橋向發生較大偏位，最大偏位為29.1 cm，為后續研究扣塔偏位提供參考。

參考文獻：

［1］周水興，江禮忠.拱橋節段施工斜拉扣掛索力仿真計算研究［J］.重慶交通學院學報，2000，9（3）：8-12.

［2］韓玉，秦大雁，鄭健.CFST拱橋斜拉扣掛施工優化計算方法［J］.公路學報，2018，1（1）：100-104.

［3］周琳淇.鋼管混凝土拱橋纜索吊裝扣錨索一體化施工控制研究［D］.重慶：重慶交通大學，2019.

［4］李哲，陳圓圓，孫克強.非對稱斜拉扣掛施工可行性分析及初步設計［J］.中國水運，2017，38（5）：60-62.

［5］李曄，李勇，李繼軍.采用斜拉扣掛法施工的大跨徑鋼管混凝土拱橋的全過程索力優化計算方法［J］.建筑鋼結構進展，2019，21（2）：60-62.