拱脚封铰时机对缆索吊装施工拱桥的受力影响分析

牟 开

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

缆索吊装系统具有跨越能力大、水平和垂直运输机动灵活、适应性广等优点，目前已被广泛用于大跨度拱桥无支架施工[2]中。随着我国高速公路的迅速发展，许多跨江跨河跨峡谷的拱桥都在向大跨度、超大跨度挑战，出现了满足施工需要的矢跨比较高、吊装节段多、吊装重量大的大型缆索装结构体系。大跨径拱桥采用缆索吊装施工成败的关键在于对拱脚铰轴的处理，即拱脚封铰时机的选择；拱脚封铰是拱桥缆索吊装施工过程中重要的体系转换过程，直接关系到施工过程及成桥后结构的线形和内力[3]，因此对拱脚封铰时机进行研究具有重要意义。

1 工程概况

依托工程主桥采用中承式有推力钢管混凝土拱桥结构，桥跨布置：2×16 m预制空心板+跨径258 m钢管混凝土拱+2×16 m预制空心板；主桥拱肋与桥道系相交部位桥梁全宽：2.75 m（拱肋）+0.075 m+0.5 m（护栏）+16 m（行车道）+0.5 m（护栏）+0.075 m+2.75 m（拱肋），为方便检修，在吊杆范围内桥道系两侧各增设1 m宽检修通道。引桥部分，单幅桥面横向布置为：0.5 m（护栏）+16 m（行车道）+0.5 m（护栏）=17 m。主桥拱圈采用双片式拱肋，拱上通过拱上立柱和吊杆连接桥面系，行车道板采用纵向“T”梁，横梁采用预制大型预应力混凝土梁，纵横交错形成全桥连续的正交梁格体系。

图1 桥型布置图

主桥计算跨径242 m，计算矢高比1/4，拱轴线为m=1.5的悬链线。拱肋为钢管混凝土桁架结构，上、下弦杆断面为平放的哑铃型，拱肋总高为5.36 m，总宽为2.76 m。圆管外径为960 mm，除拱脚埋设段及第2、第3吊装段壁厚为18 mm外，其余拱肋壁厚为16 mm。水平两钢管间净距2.0 m，圆管之间设平联板连成一体，平联板为厚度14 mm。图1为该桥桥型布置图。

拱座混凝土靠近拱脚面二次浇筑部分为C40混凝土，其余为C30混凝土。单个拱座需预埋16根长为1.8 mφ299×10 m的钢管及拱脚铰钢筋加强网片等。钢管的预埋位置要求准确，钢管预埋位置的准确性是拱肋能否合拢的必要条件。封铰块四周脚手架采用门式支架，内部操作平台及模板定位架采用型钢。钢筋分两次安装，每次7 m。模板采用大块组合钢模加定型钢模。

2 施工阶段描述

2.1 拱肋吊装节段划分

钢管混凝土拱桥采用缆索吊装施工时，根据现场起吊条件及起吊缆索机械的实际情况，主拱肋需划分为多个吊装节段，化整为零进行吊装；具体分段根据缆索吊的最大吊装吨位和施工工期等多方面进行考虑，依托工程钢管混凝土拱桥主拱肋共划分为6大吊装节段（半拱肋），具体吊装单元划分见图2，表1为各吊装段的详细参数。

图2 拱肋吊装单元划分

表1 拱肋吊装单元详细参数表

2.2 施工阶段

依托工程拱肋施工主要施工步骤如表2所示。

表2 拱肋施工主要步骤

钢管混凝土拱桥缆索吊装施工多跨越沟谷、江河，施工场地一般受到限制，为了对拱肋吊装段仰角进行调整定位，通过简易牵引装置逐步调整第1段拱脚端铰轴位置，使其与预埋的拱座铰铰接上，调整好仰角后张拉扣索定位，第1段拱肋吊装段定位完成后，后续施工过程中封铰时间不同，主拱肋的线形、拱脚钢管应力等均有较大差异，依托工程拟定了5种不同的封铰方案，描述如下：

a）方案一 步骤CS1吊装第1段拱肋封铰。

b）方案二 步骤CS6吊装第4段拱肋前浇筑拱脚封铰混凝土。

c）方案三 步骤CS12主拱肋合拢后，扣索释放前封铰。

d）方案四 步骤CS13主拱肋扣索释放后，灌注混凝土之前封铰。

e）方案五 步骤CS15主拱肋灌注混凝土后封铰。

3 封铰方案分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/CIVIL（V8.2.1）结构分析程序对拱肋缆索吊装施工阶段状态进行分析计算，根据设计图纸，建立该桥空间计算模型[4]，其中钢管采用梁单元模拟，扣索采用桁架单元模拟，钢管及平联混凝土灌注通过施工阶段联合截面实现。全桥共5 750个节点，共分6 282个单元，计算模型如图3。

图3 拱肋吊装分析模型

3.2 拱肋变形分析

钢管混凝土拱桥缆索吊装施工过程中，通过张拉扣索，改变扣索的松紧程度来调整拱肋的安装线形[5]，但拱肋线形的调整及控制均是以拱肋前端点作为控制点，如图4所示，施工过程中根据吊装段前端点i处安装棱镜，对拱肋标高进行跟踪测量，且拱肋吊装过程中，随着拱肋节段不断增加，拱肋线形会发生变化，即前端点i标高发生变化；施工过程中拱脚封铰时间不一样，后续施工节段对已施工拱肋的影响程度也会有差异，因此拱脚在施工过程中何时灌注混凝土封铰对吊装过程中拱肋线形控制有较大影响，图5～图10给出了前述5种封铰方案下第i吊装段拱肋前段点前端点i的累计变形。

图4 拱肋吊装分析模型

图5 吊装段1前端点变形

图6 吊装段2前端点变形

图7 吊装段3前端点变形

图8 吊装段4前端点变形

图9 吊装段5前端点变形

图10 吊装段6前端点变形

图5～图10为拱肋施工过程中（从吊装第1段主拱肋到钢管混凝土灌注完毕全过程），各吊装段前端点累计变形。由图可知，5种封铰方案下各吊装段均发生持续向下的竖向变形，其中吊装段1、吊装段2、吊装段3的规律较类似，即方案一下产生的竖向变形最小，方案五下产生的竖向变形最大；吊装段4、吊装段5、吊装段6的变形规律较类似，即方案四产生的竖向变形最大。对5种封铰方案进行综合比较，按方案三封铰时，各吊装段竖向变形均处于较小状态，为理想方案。

3.3 拱脚应力分析

钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程中，随着拱肋节段不断增加，拱肋拱脚附近钢管的应力会不断，施工过程中拱脚封铰时间不一样，后续施工节段对已施工拱肋的影响程度也会有差异，因此拱脚在施工过程中何时封铰对吊装过程中拱脚附近钢管的应力有较大影响，表3和表4给出了前述5种封铰方案下拱脚附近上弦杆和下弦杆（如图11所示）的应力变化值。图12和图13给出了拱脚上弦杆和拱脚下弦杆随着施工阶段的应力变化曲线。

图11 拱肋吊装分析模型

表3 拱肋吊装分析模型（上弦杆）

表4 拱肋吊装分析模型（下弦杆）

图12 拱脚上弦杆应力

图13 拱脚下弦杆应力

由表3可知，5种封铰方案下拱脚附近上弦杆最大应力分别为 64.1 MPa、69.1 MPa、58.1 MPa 、34.5 MPa、94.2 MPa；由表 4 可知，5 种封铰方案下拱脚附近下弦杆最大应力分别为109 MPa、102 MPa、111 MPa、133 MPa、85.1 MPa；由图 12 和图 13 可知，5种封铰方案下拱脚附近上、下弦杆应力变化规律相反，即方案五上弦杆应力最大，而下弦杆应力最小，方案四上弦杆应力最小，而下弦杆应力最大，因此综合考虑上、下弦杆的应力情况，方案三是较理想的封铰方案。

4 结语

本文以某钢管混凝土拱桥为工程依托，对缆索吊装施工过程中，拱脚的封铰方案进行了介绍，同时借助空间有限元模型对拱肋架设过程进行了模拟分析，对施工过程中采用5种不同封铰方案时，拱肋各吊装段控制点的施工累计变形进行了比较，同时对施工过程中拱脚附近截面上、下弦杆的应力变化进行分析，最后从控制拱肋前端点变形及拱脚应力的角度对5种封铰方案进行综合考虑，最后确定方案三作为理想的封铰方案，本文的研究方法可供类似桥梁施工控制积累工程经验和提供依据。