斜拉扣挂法吊装大跨度钢管拱桥过程中拱肋整体受力分析

曾子豪

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731)

目前斜拉扣挂法是大跨径钢管混凝土拱桥常用的施工方法之一，其具有吊装速度快、合龙精度高等优点。往往大跨径的桥多为跨江、河桥梁，因此风速大。另外塔架为了满足大跨径吊装高度需求，一般架设较高，斜拉扣挂系统整体的受力状态及稳定性就关系到整个项目建设。稳定性分析和受力状态可通过Midascivil模拟，而对于扣、锚索的模拟Midascivil中有索单元和桁架单元可供选择，本文将通过实际计算来分析两者差别，同时根据目前本工程已完成拱节段的现场实测数值进行综合分析。

1 项目概况

新建铁路川藏线拉萨至林芝段藏木雅鲁藏布江特大桥位于西藏自治区山南市加查县境内桑家峡谷内。大桥为主跨430m的中承式钢管混凝土提篮拱桥。线路左右侧拱肋平面失高为112m，矢跨比为1∶3.84。单侧拱肋为四肢桁式截面，由四根钢管组合而成。全桥共有15个拱肋吊装节段，15节段为合龙段。

1.1 斜拉扣挂系统

上下游塔架基础均不等高，高差20m。扣塔单个立柱顺桥向布置4排，排间距4.0m，横桥向布置3列，列间距4.5m。 根据实际地形两岸锚索的锚碇均采用桩基承台锚，分布在两岸塔架外侧。两岸塔架中心距610m(图1～图3)。

图1 斜拉扣挂系统平面(单位:cm)

图2 有限元整体模型

图3 单侧拱肋双吊点示意

1.2 施工工序

施工安排：第3节拱肋节段施工完成后拱脚固结，完成体系转换。施工过程中单侧悬臂安装两节后，换至另一侧安装两节，再安装横向联系，之后安装下一节段钢管拱，以此循环安装至拱肋合龙。

吊装工序：项目采用斜拉扣挂法施工，拱肋吊装采取双吊点吊装(图3)，除了第1节拱肋用支架支撑外，其他拱肋节段均用斜拉索固定。扣、锚索从拱肋2号～14号拱肋节段依次编号为1#～13#扣、锚索。每节段拱肋通过缆索吊机吊至指定位置，通过内法兰与前一节段拱肋悬臂端连接，内法兰之间通过螺栓连接，之后进行位移调整。通过缆索吊机配合斜拉索张拉进行调整，调整完成后两拱肋节段接头处通过外包板焊接固结。

2 有限元计算结果分析

2.1 吊装过程中拱肋线形及受力分析

模型1采用索单元来模拟扣、锚索；模型2用桁架单元来模拟扣锚索，提取第3节、4节拱肋三等分点位置共计7个点，依照现场进度分别在钢管拱肋第7节拼装完成后(目前拱肋拼装至第7节)、拱肋合龙后两种工况下的标高与初始安装标高的变化值来分析。测量点位从第3节～4节拱肋依次编号1～7。

为了便于对结构线形进行分析，将各模型计算结果绘制成图4、图5。

图4 第7节拼装完成后标高变位(单位：cm)

图5 拱肋合龙后标高变位(单位：cm)

在1节点～7节点位置提取工况拱肋合龙后的应力，将各模型计算结果列入表1。

由以上数据可以看出由两种单元模拟的扣、锚索模型计算结果误差较小，线形误差最大在拱肋合龙后仅为3.17cm，图中可以看出用索单元模拟的结果更接近实测值。两种单元模拟结果的应力值误差最大为2.24MPa。

索单元与桁架单元的区别在于，程序中索单元考虑非线性分析，桁架单元不考虑几何非线性；桁架单元不考虑垂度影响，索单元考虑垂度影响，所以更接近实际情况。通过查阅资料发现目前既有研究表明[4]当吊装施工过程中拱脚固结时，几何非线性因素对拱肋影响较小；当处于铰接状态时，非线性因素对拱肋影响较大[5]，结论和本文计算结果吻合。

表1 拱肋合龙后节点应力值 MPa

2.2 吊装过程中整体安全性分析

2.2.1 整体稳定性分析

稳定性计算工况分别考虑横向、竖向风力作用 2个工况计算。缆索吊机考虑最大吊重250t，由于扣、吊塔为铰接，仅传递轴力，因此将缆索吊机简化为竖向荷载进行分析，为简化计算扣锚索采用桁架单元模拟。

(1)荷载工况1：常量包括结构体系自重、吊塔传递荷载；变量包括扣索力、锚索力、揽风索力、纵向拉萨至林芝风荷载。

(2)荷载工况2：常量包括结构体系自重、吊塔传递荷载；变量包括扣索力、锚索力、揽风索力、横向上游至下游风荷载。

计算分析结果见表2、图6、图7。

表2 结构前五阶模态对应特征值

图6 结构横桥向前三阶屈服模态

图7 结构顺桥向前三阶屈服模态

经计算2种工况下的特征值均远大于4.0，满足规范要求[2]，结构稳定性满足要求。

2.2.2 扣、锚索索力安全系数分析

通过有限元计算发现扣、锚索在各节段定位张拉完成后，随着后续节段的增加索力值将逐渐减小，因此索力安全系数以各节段拼装是的初始索力值来计算。

斜拉索采用直径为φ15.24低松弛高强度钢绞线，抗拉强度为1 860MPa。索力安全系数可由下式计算：

μn=Anfpk/Fn

式中：An表示n号扣、锚索等效截面面积；fpk为钢绞线抗拉强度；Fn表示第n号扣、锚索初始张拉力；μn表示第n号扣、锚索安全系数；n取值从1～13。

扣、锚索共采用了5种规格的钢绞线：7φ15.24、9φ15.24、12φ15.24、19φ15.24、22φ15.24。安全系数计算结果见表3。

为了便于直观观察分析，将扣锚索索力安全系数计算结果绘制与图8中。

从图以上图标中可以看出所有安全系数均大于2.0，满足规范要求[2]，结构安全。

表3 扣、锚索安全系数

图8 索力安全系数雷达分布

3 结论

(1)通过分别采用索单元、桁架单元进行模拟计算，结果表明，拱肋处于固结状态时，两种单元计算的线形、应力结果误差很小，也印证了既有的研究成果：当吊装施工过程中拱脚固结时，几何非线性因素对拱肋影响较小[5]。因此对于无铰拱在拱肋吊装过程中可以用桁架单元代替索单元模拟扣、锚索简化计算。

(2)本文稳定性计算偏保守，但通过计算特征值远大于规范要求，另外扣锚索索力安全系数储备充足，因此本项目斜拉扣挂系统整体结构安全可靠。