钢箱拱吊装扣索张拉过程拱肋线型研究

关敬文

摘要：主拱圈的线形控制质量直接影响着成桥后全桥的受力，又因其吊装施工过程是全桥建设当中最为关键和复杂的工序，而扣索张拉过程又是调节主拱圈线型的重要施工步骤。因此，研究吊装施工过程中扣索张拉环节有着重要意义。针对该施工过程，文章提出主拱圈关键节点扣索张拉过程纵桥向与竖桥向位移变化的理论表达式，通过Midas软件建立罗文大桥的全桥有限元模型进行计算分析，提取计算结果与理论结果作对比。结果表明：理论计算结果与有限元模拟计算结果吻合度较高;罗文大桥主拱圈拱段张拉方案安全、可靠，在整个过程中各控制点纵向、竖向最大位移分别达到-14.6mm和32.6mm，有较大安全富余;后续拱肋节段的安装精度受之前安装的影响，并在施工过程中主拱圈线形变化遵循叠加效应。

关键词：钢箱拱桥;叠加效应;有限元模拟;缆索吊装;线形控制

中图分类号：U448.223 文献标识码：A DOI：1O.13282/j.cnki.wccst.2019.07.022

文章编号：1673-4874（2019）07-0068-04

0引言

钢箱拱桥具有刚度较大、延性较高以及稳定性较好等诸多优势，因而在我国有着较大的发展空间及潜力。尤其是近年来缆索吊装施工方法的普及，使得该类桥型有了更进一步的应用空间。其主要受力的拱肋构件更是学者们所研究的重点对象，因此，国内学者围绕其施工过程展开了一系列研究：狄生奎以某黄河大桥作为例子，提出吊装过程中每节拱段预抬量的理论计算公式。骆中林则以浏阳河大桥作为工程依托，重点探讨了拱肋温度与垂度效应的影响，并与实测数据对比得出相关结论。宋晖则以菜园坝长江大桥作为工程背景，研究该桥主拱圈拱节段运输吊装的可行性，为后续同类桥的施工提供参考借鉴。

以上学者及研究人员皆对钢箱拱桥的研究作出巨大贡献，本文在借鉴前人研究的同时，以南宁罗文大桥为例，首先提出拱箱节段在扣索张拉过程中关键控制点变形的公式，而后利用Midas Civil软件建立该桥主拱圈模型，计算验证所提出的公式，并提取主拱圈关键控制节点位移，从而揭示钢箱拱在其过程中的线型变化规律。

1工程概况

罗文大桥为一座飞燕式钢箱拱桥，其主拱圈计算跨径为180m，计算矢高为50m，矢跨比为1/3.462，主拱拱轴线采用二次抛物线，钢箱拱肋采用等宽变高的单箱单室截面形式，截面宽度为2.5m。自拱脚向拱顶，拱箱截面高度由3.96m渐变至2.70m，钢箱拱顶板、底板均采用24m厚度钢板，腹板厚度取20mm。

2吊裝方案

根据现场实际条件与施工的便利性，首先在两岸架设索塔，通过缆索吊装法将钢箱拱肋分节段吊装至预设位置，当一段安装完毕后张拉扣索，使该拱段获得一定预抬量后再进行下一段的吊装。主桥共两跨主拱，每片拱肋共分为9个钢箱节段，节段划分见图1。其中最长吊装节段为主拱3，质量约为57.6t，长21.005m;最短吊装节段为主拱5，质量约为17.3t，长7.327m。控制点布置于各斜拉索扣点附近，单片拱肋共计9个控制点，本次选取其中3个控制点进行计算验证。吊装节段划分及控制点布置如图1所示。

3理论公式的提出

将各段钢箱拱简化为直线进行理论计算，计算示意图如图2所示。当前拱段控制点的位移是由扣索索力与自重所引起的位移共同叠加而得。

根据材料力学悬臂梁挠度计算公式可得以下公式，计算第i拱段控制点在集中力作用下纵向及竖向位移：

4有限元模型及计算结果

4.1模型介绍

为探究吊装施工过程中主拱圈关键截面的控制指标变化情况，本文通过数值分析软件Midas Civil建立罗文大桥有限元计算模型，整个模型共计20836个单元。其中包括拱肋单元、桁架单元、梁单元三种形式。其中拱肋采用空间梁单元模拟，其截面参数根据实际拱肋截面特征而定，并将其余附属部分的质量分别计入相关拱肋单元中;由于索塔杆件与分配梁受力特性的不同，以桁架单元模拟索塔杆件，以梁单元模拟塔顶分配量，模型中较为完整地建立了吊、扣塔的模型，基本未进行简化;系杆与吊杆皆采用桁架单元模拟，并已将初始拉应力施加于单元上。有限元模型图如图3所示。

模型边界条件形式主要为：（1）桥面主梁梁端采取全约束的形式;（2）P10、P11以及P12三座桥墩底部采用全约束;（3）斜拉索锚定端采用节点全约束。全桥考虑自重，施工过程的荷载主要为各锚索和临时索索力，各施工阶段索力大小按表2施加，其余未列举出的索力与已有索力相近，故在此省略。

4.2钢箱拱肋各控制点线形计算结果

通过模型计算可得：P10～P11墩间上游拱肋安装过程中主要施工阶段控制点纵向、竖向位移分别见表3;P11～p12墩间上游拱肋安装过程中主要施工阶段控制点纵向、竖向位移规律皆与P10～P11墩相同;下游拱肋位移基本与此相同，皆不再赘述。

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）表15.4.11可知，主拱圈安装轴线偏位≤L/6000且≤40mm，拱圈高程安装误差控制在±L/30001且≤50mm。由以上数据可知，整个施工过程线形偏移皆满足规范要求。

从表3中可以发现：扣索张拉过程中，各控制截面关键点的位移随施工过程的进行呈现叠加的趋势，即当前段吊装的位移会累积至其后的工序当中，故同一关键点的竖向、纵向位移不断增加。同时，出于拱肋吊装对线形影响的原因，在每节段吊装安装过程中，由于之前施工阶段与索塔位移偏移量的积累，使得已安装完成的节段出现较大位移。因此，需在前一阶段通过增大扣锚索张拉力预抬一定量，当下节段吊装完成后能回到设计位置。此外，由于主拱圈左右半拱并非完全对称，且靠近P10的吊装节段质量大于靠近p11的吊装节段，所以前者位移偏移量与施工预抬量皆大于后者。

由表4和图4～5可知，理论计算结果与数值模拟结果较为吻合，控制点纵向、竖向的位移结果皆相近。

5结语

本文以南宁罗文大桥为例，提出吊装过程中主拱圈关键点的线形变化公式，而后建立有限元分析模型，通过选取P11墩上拱段进行计算，对比发现理论推导公式计算结果与数值模拟分析结果二者较为吻合，同时，罗文大桥主拱圈扣索张拉施工过程安全可行。在整个施工过程中各控制点纵向、竖向最大位移分别达到-14.6mm和32.6mm，皆出现于张拉尸11墩上游主拱4段扣索工况。根据《公路桥涵施工技术规范》主拱圈安装轴线偏位≤L/6000且≤40mm、拱圈高程安装误差控制在±L/3000且≤50mm的要求，可知施工过程安全且有较大富余。此外，施工过程中各拱段线形偏移遵循叠加效应。根据理论计算公式以及数值模拟分析结果可知，当前安装拱段的纵向、竖向位移是由本段的偏移量与之前拱段的偏移量累加而得。因此在施工控制时，为避免后续拱段误差过大，需要注意对前几段拱肋安装误差的控制。