钢管混凝土拱桥拱肋吊装施工索力计算方法浅析

2017-04-24

四川水泥 2017年4期

关键词：索索索力拱桥

（重庆交通大学 400074）

李金志

（重庆交通大学 400074）

本文以实际工程为背景，介绍了几种常见的计算缆索吊装施工过程的计算方法。用零位移法、力矩平衡法和影响矩阵法分别对工程实例中的扣索索力进行了计算，分析了影响矩阵法在计算拱桥拱肋吊装过程中扣索索力的优越性。

无支架缆索吊装；索力计算；影响矩阵法

1 缆索吊装施工扣索索力计算方法分类

1.1力矩平衡法

力矩平衡法是指在施工过程中，将钢管混凝土拱桥拱肋各节段之间的连接视为铰接，采用节点力系平衡原理，逐段递推求解索力。力矩平衡法将实际扣索索力的动态平衡问题作为简单的静平衡问题处理，与实际受力不符等。

1.2有限元—零位移法[4]

以有限元理论为基础，假设拱肋阶段在扣索张拉就位以后，其所有扣索扣点均符合设计拱轴线与标高，将考虑过预拱度的设计拱轴线作为建立模型的线型控制指标[4]。并且假定各阶段吊装完成后扣点的位移始终为零。其所得索力值仅反映扣点处的标高能满足设计要求，对于其他位置则无法控制，线型多呈波浪形，大大影响拱肋的内力；通过约束反力合成的索力数值有可能出现负数，而扣索属于只受拉单元，不能承受压力；吊装施工时各个阶段都需要对索力进行调整，对安全施工不利。

1.3定长扣索法[6]

定长扣索法是指根据退分析法去确定每一根扣索放样的长度，依靠扣索的弹性变形与后续施工对本节段拱肋标高的影响使其符合设计轴线要求。索力变化比较均匀，扣索只需要进行一次张拉即可，不需要多次调整索力，不仅提高了施工安全性，也相应的减少了扣索用量[6]。

定长扣索法仅仅对拱肋的位移进行控制，对扣索的应力与索力变化并没有进行控制。由于索力与拱肋节段预抬高量有多种不同构成组合，因此这种方法所确立的索力并不一定是最优的索力组合。

1.4零弯矩法

零弯矩法是假定拱肋各段接头处的弯矩为零，以力矩平衡原理为基础，通过节点处力系平衡方程求解出拱肋安装段扣索的索力。其基本假设与力矩平衡法有很多相似之处，基本思路与力矩平衡法一样，只是步骤稍有不同，用此方法得到的索力值的正负并不能恒定，具有一定的局限性。

2 钢管混凝土拱桥缆索吊装施工扣索索力的模拟计算

2.1基于影响矩阵法的索力优化计算[4]

影响矩阵法[5]的基本概念主要包括受调向量，施调向量，影响向量，影响矩阵组成，是一种几何非线性调制计算方法，并可应用于大跨度钢管混凝土拱桥吊装施工分析中。在计算拱肋吊装段扣索索力时，可将受调向量{D}设置为拱肋关心截面的内力、应力、位移，施调向量{X}设置为扣索索力，通过影响矩阵[C]建立受调向量与施调向量之间的关系，生成一个线性方程组或者增加不等式约束构造一个线性规划模型[C]{X}={D}，求解该线性方程组可求得施调向量的调整量{X}，由此就能快速准确的求出扣索索力值[5]。

2.2实例计算分析

2.2.1 工程概况

某劲性骨架钢筋混凝土箱型拱桥，主跨170m，矢跨比1/5，净失高34m，拱轴系数m为1.543。拱圈宽8.2m，高3.2m。主拱圈采用等截面悬链线三室箱型无铰拱，劲性骨架为槽钢与钢管混凝土组成的桁架结构，全桥两片拱肋间以横联进行连接，拱肋高2.64m，单肋宽2.25m。每肋上下各有2根φ377×12mm、内灌注C50微膨胀砼的钢管砼弦杆。弦杆通过横联槽钢和竖向槽钢连接而构成型钢—钢管砼桁架。拱肋每间隔10m(拱脚7.5m)设置横撑，横撑对应位置设置交叉剪刀撑。拱顶设置45cm的预拱度，其它位置按二次抛物线自动进行分配。

2.2.2 主拱圈拱肋节段吊装施工

劲性骨架在主索下方组拼完成后，通过2组运输主索4个吊点抬吊安装。全桥劲性骨架拱共5个吊装分段，基本工况如下：

1）工况一：吊装第1#组拱肋，添加结构自重与对应第一段风缆初张力为荷载组；

2）工况二：吊装第2#组拱肋，添加对应荷载与边界条件；

3）工况三：吊装第3#组拱肋并添加相应边界条件与荷载组合；

2.2.3 缆索吊装扣索索力计算[4]

（1）零位移法的索力计算[4]

由于零位移法的局限性，在使用时对其进行适当加工，将约束设置为沿着扣索方向的链杆，拱肋在自重作用下发生少量转动，可认为竖向位移不变，此约束下的反力为扣索索力方向，同时这种改进在计算时可能使扣索出现受压的情况，即索力出现负值，此时应退出计算。根据这种方法计算扣索索力值如下：