拱桥缆索吊装扣塔偏位对拱肋节段安装的影响

梅盖伟

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

拱桥缆索吊装扣塔偏位对拱肋节段安装的影响

梅盖伟

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

拱桥缆索吊装施工中拱肋斜拉索锚固于扣塔上，扣塔受不平衡水平力作用将发生偏位现象，施工控制中的拱肋安装高程需考虑扣塔偏位对其影响，大宁河大桥主拱安装考虑了扣塔偏位对拱肋安装高程影响，实施效果显著。

大宁河大桥；主拱安装；缆索吊装；扣塔偏位；安装高程

1　工程概况

大宁河大桥位于重庆市巫山县5A级景区小三峡内，上跨大宁河。大桥设计为主跨400m的钢桁架上承式拱桥，失高80m，失跨比1/5，拱轴系数为1.9。桥梁全宽24.5m，桥梁立面布置如图1所示。主拱圈为钢桁架结构，钢桁等桁高，高度为10m，横向又三片拱桁架通过钢架横联连接成整体，每片拱桁架横向间距为10m，三片拱桁总宽20m。每片拱桁的上下弦杆均采用等截面钢箱结构，拱箱高150cm、宽100cm，箱室内部设纵向加劲肋。拱上立柱纵向间距为27m，立柱采用钢箱矩形断面，横向间距10m，与桁间距保持一致，横向采用钢架横联连接。交界墩采用空心薄壁墩，宽度5m，顺桥向宽4m，横向为两个桥墩，横断面布置见图2。

图1　大宁河大桥立面布置图

图2　大宁河大桥横断面布置图

主拱采用缆索吊装斜拉扣挂法施工，钢桁架节段划分原则根据吊装重量控制，单侧单桁片从拱脚至拱顶最大悬臂段共分为9个节段，一个合龙段，主拱桁架吊装共有57个吊装节段，最大吊重为160t。

缆索吊装斜拉扣挂法是两种施工工艺的合称，其中缆索吊装法是指利用吊塔、主缆、起重索、牵引索以锚碇等主要构件组成的一个索道吊装系统，通过主缆上行走的起吊设备吊装主拱桁片，桁片吊装就位后利用拉索斜拉拱桁，斜拉索锚固于扣塔上，扣塔设置背索以抵抗不平衡水平力，以此控制扣塔顺桥向的偏位，详见图3。

2　斜拉扣挂法施工中的吊扣系统

大跨度拱桥拱肋的安装方法有多种[1]，目前国内施工大多采用缆索吊装斜拉扣挂法，此方法施工需设置斜拉扣索拉住悬臂状态的拱肋，扣索索力较大。扣索锚固端设置主要有三种方案[2]：（1）设置在为扣挂系统单独设立的扣塔上；（2）设置于支撑索道吊装系统的吊塔上，形成吊扣合一的缆吊系统；（3）锚固端设置在两岸的岩体上。

图3　斜拉扣挂法施工的示意图

2.1扣索锚固系统设置于独立的扣塔上

吊塔与扣塔独立设置，扣索一端连接于拱肋上，一端锚固于扣塔上，或通过设置于扣塔上的转向滑轮锚固于地锚中。当扣索锚固于扣塔上，需在扣塔另一端设置背索以平衡扣索水平力，背索锚固于地锚中，若采用转向滑轮方式，则扣、背索合一。扣索锚固于独立扣塔这种方法的优点在于扣塔与吊塔分离，受力明确；缺点在于扣塔与吊塔分别设置，需多用材料。

2.2扣索锚固于吊塔上

这种方法也叫吊扣合一法，即扣索锚固和吊装主缆均设置在同一塔上，这种方法主要优点是省去了多出来的扣塔或吊塔，节约了施工场地，在施工场地受限的现场是主要的吊扣方案。

2.3扣索锚固于两岸岩体上

扣索一端连接拱肋，另一端直接锚固于两岸的岩体，这种方法主要用于陡峭的山谷中，当两岸岩体完整性良好时使用，同时吊塔设置于岩体上，可省去或减少吊、扣塔的架设。

采用缆索吊装斜拉扣挂法施工的拱桥中大部分的扣索锚点设置都采用前两种方法。扣索锚固于扣塔上的锚梁或其他锚固构件，相同位置锚固背索，由背索提供扣塔所需的扣索水平分力，扣索也可通过设置在扣塔上的索鞍直接锚固于地锚。扣索连接主拱与扣塔，背索连接扣塔与地锚，其水平夹角不一致，需根据计算确定背索索力以平衡扣塔，否则会出现扣塔在不平衡水平力作用下的偏位现象。扣塔偏位对拱肋高程造成影响，甚至直接影响到成桥线形，如何影响，是施工和监控关心的问题。

3　大宁河大桥吊扣系统

大宁河大桥吊扣系统是采用吊扣合一法。大宁河大桥主桥为400m跨径钢桁架上承式拱桥，其5、6号桥墩为其交界墩，利用5、6号桥墩作为吊、扣塔基础，两岸吊、扣塔立与5、6号交界墩盖梁上。大宁河大桥吊、扣塔采用H型钢与N型万能杆件拼接，为三柱式门型钢结构塔架形式，5号交界墩处钢塔塔高33m，6号交界墩钢塔塔高26m，塔柱中心线间距为10m，横向宽20m[3]。

钢塔立柱采用2HW400×400H型钢，联结系为N型万能杆件，万能杆件与H型钢立柱采用节点板栓接方式连接，详见图4。立柱型钢分节段制作，节点采用M25.7螺栓栓接，立柱基础与交界墩盖梁固结。在扣塔上横向设置锚梁，用于扣索，背索的锚固，扣索张拉在扣塔上进行，背索张拉在地锚处进行。

图4　扣塔正立面布置图

4　扣塔偏位对拱肋节段高程的影响

由于扣索张拉索力较大，同时为保证足够的拱肋预抬量，扣塔偏位在实际工程中难以避免，因此，扣塔偏位对拱肋节段高程的影响是在施工和监控过程中必须考虑的重要因素。

大宁河大桥的扣塔偏位对拱肋悬臂端高程控制的影响可通过几何关系确定，此为解析法，详见图5，可用于初步计算该因素影响的大致范围。

图5　扣塔偏位与拱肋高程关系

作以下基本假定：

（1）扣索与背索总长不变；

（2）扣塔与拱肋节段为刚体，不发生弹性变形，仅为刚体位移。

式中：α1—为扣塔塔底于背索锚点连线与扣塔之间的原始夹角；

h1—为扣塔高度；

Lb—背索原长。

式中：δ—扣塔线偏移量。

式中：β—扣塔角偏移量。

（3）式求得背索新的长度。

式中：h2—扣塔原始位置塔顶到拱铰距离。

（5）式求得扣塔偏移后扣塔塔顶到拱铰距离。

式中：γ—如图5所示。

（7）式求得扣塔偏移后扣索长度。

利用（5）、（7）式几何关系

即可知，由A—A'点的竖向位移为：

（1）～（10）式为扣塔偏位对拱肋节段高程的影响。对于扣塔固结于地面，扣塔在不平衡力作用下有弹性变形，可根据有限元计算出背索索力大小来平衡扣塔，以消除扣塔偏位。

5　扣塔偏位对拱肋高程影响分析

解析法计算能初步计算出扣塔偏位对悬臂拱肋高程的影响，但对于大跨径拱桥施工精度要求较高的特点，需采用有限元软件进行分析，考虑扣塔结构弹性变形以及拉索的非线性效应，通过有限元仿真分析计算出扣塔偏位对拱肋悬臂端高程的影响。

大宁河大桥施工阶段分析采用大型有限元软件ANSYS，建立主拱、交界墩、吊扣塔、拉索与背索，利用生死单元模拟施工过程。应用其强大的二次开发工具APDL语言，编制了大宁河大桥全桥模型命令流。

同时建立无扣塔的模型计算进行比对，控制目标均为成拱线形与设计拱轴线偏差不大于5mm，通过对比分析，扣塔偏位对拱肋高程有影响，为消除该影响需对背索索力进行调整，以控制扣塔的偏位，计算出的背索索力同样是施工中重要的参数，详见图6、图7。

图6　大宁河特大桥有扣塔有限元模型

图7　大宁河特大桥无扣塔有限元模型

表1为有扣塔模型计算和无扣塔模型计算出拱肋节段预抬量对比数据。

表1　悬拼节段施工扣索索力值比较(kN)

6　结论

缆索吊装斜拉扣挂法施工的拱桥拱肋安装悬臂端高程受扣塔偏位影响明显[4]，因此在索力和节段预抬量计算中应考虑扣塔偏位影响，大宁河大桥在施工过程中考虑了扣塔偏位对拱肋高程的影响，实际工程显示效果显著，大桥合拢前悬臂端高差仅2mm。同时考虑了扣塔偏位的计算能同时计算出扣塔背索索力，以其作为拱桥吊装施工中背索张拉力的依据，可减少背索索力调整次数，提高施工效率。

[1]周水兴，江礼忠.拱桥节段施工斜拉扣挂索力仿真计算研究[J].重庆交通学院学报，2000，19(3):8-12.

[2]梅盖伟.基于裸拱变形为控制目标的索力计算方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[3]张建民，郑皆连.钢管混凝土拱桥吊装过程的最优化计算分析[J].中国公路学报，2005，18(2):40-44.

[4]汪树玉，杨德铨，刘国华.优化原理、方法与工程应用[M].杭州：浙江大学出版社，1991.

[5]衰海庆，范小春.大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装预测的迭代前进算法[J].中国公路学报，2003，16(3):48-51.

责任编辑：孙苏，李红

Impact of Tower Deviation in Arch Cable-Hoisting Construction on Arc Rib Installation

The cable-stayed anchor of arch rib is fixed onto the tower during the cable-hoisting construction,where the tower would make deviation for unbalanced horizontal force,so the impact of tower deviation on arc rib installation elevation should be considered in construction control.The main arc of Daninghe Bridge achieves noticeable results for doing so.

Daninghe bridge;main arch installation;cable-hoisting;tower deviation;install elevation.

U445.464

A

1671-9107（2015）07-0034-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.07.034

2015-06-01

梅盖伟（1982-），男，重庆人，研究生，工程师，主要研究领域为大跨度桥梁设计与结构非线性分析。