大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊装施工设计计算分析

岳建彬 杨靓 李昊 刘再德

摘要：缆索吊装施工技术在钢管混凝土拱桥施工过程中应用广泛。为确保施工安全及拱肋线型，文章以衡阳县蒸水灵瑞寺（清江）大桥为工程背景，对缆索吊装施工过程中主索的最大拉应力、最大垂度与吊装过程中的控制垂度、索塔的高度及扣索的拉力的计算方法进行分析，以保证施工的安全和拱肋的线形。

关键词：缆索吊装施工;钢管混凝土拱桥;主索;扣索;计算方法

0 引言

钢管混凝土拱桥因其特有的结构形式，使钢筋和混凝土的优劣势能够互补和发挥。缆索吊装的施工技术具有适用性好、设备调运方便、跨越能力大等优势，故在钢管混凝土拱桥施工中得到了施工单位普遍的认可[1]。通常来说，缆索吊装施工技术的基本原理是将拱肋分成若干节段，每一节段通过缆索吊装至对应位置，之后通过扣索锚于塔架上，直至拱肋合龙后再拆除扣索达到目标线形[2]。缆索吊装施工过程中，主缆索力、垂度与扣索索力在各个施工阶段都不同。主缆索力影响着施工过程的安全性，垂度影响着主索塔的高度與施工能否顺利进行，扣索索力影响着施工过程的安全性与拱肋的线形，因而对缆索吊装施工的关键内容进行计算是非常重要的。

1 工程概况

某大桥主桥为210 m跨提篮式拱桥，北引桥长102 m，南引桥长118 m，桥梁全长436 m，主桥钢拱肋采用缆索吊装系统安装。缆塔和扣塔做分离设计，全桥设2个索塔、4个扣塔。南侧主索塔中心里程为K0+431.029，扣塔中心里程为K0+438.679;北侧主索塔中心里程为K0+714.329，扣塔中心里程为K0+666.329。缆索吊装总体布置如下页图1所示。

2 主索计算

缆索吊装施工过程中，跑车的位置和起吊重量都在变化，因而主索拉力和垂度也在不断变化。计算时，如需计算整个施工过程的主索应力和垂度则过于复杂，因此对每个施工阶段的主索控制应力和控制垂度进行计算即可。主要的计算内容为主索最大拉应力和最大垂度、跑车空载位于跨中时主索初始安装张力和初始垂度、跑车在起吊平台起吊拱脚节段时主索的张力和垂度、跑车位于各节段的安装位置起吊相应节段时主索的张力和垂度。

2.1 计算假定

（1）缆索自重荷载假定沿跨长均布，属于近似计算。

（2）按弹性变形理论计算，未考虑非弹性变形。

（3）悬索是绝对柔性，任一截面均不能承受弯矩。

（4）跑车处于某一平衡状态，即对缆索做静力平衡计算。

（5）不计跑车、滑轮和缆索之间的摩阻力。

2.2 主索最大张力和最大垂度

当跑车吊重后，位于跨中平衡状态，此时主索产生最大拉力，并控制主索设计。这里将主索的容许张力作为主索最大张力，来计算主索的最大垂度。

设主索的张力安全系数K=3.5，则主索的容许张力为：

Tmax=TnK=10×1 3803.5=3 942.9 kN，H≈Tmax

根据路桥施工计算手册[3]，将水平力H带入式（1）进行求解，求得最大垂度为20.45 m，垂跨比为1/13.856，符合在L/13～L/18之间的一般经验值。

2.5 主索塔架高度确定

2.5.1 北侧主索塔架高度确定

因主索塔的中心相对于主桥中心线偏向北侧（大里程方向），因此按吊装北侧拱肋时垂度控制设计。为保证施工过程的顺利进行，北侧主索塔架高度应同时满足：起吊跨中拱肋时，跨过已吊装完的拱肋节段和验算拱脚节段时的垂度，保证主索不与扣塔位置冲突，同时考虑0.3 m的施工安全距离。计算后，塔高采用90 m。

2.5.2 南侧主索塔架高度确定

为减小牵引力，一般预制场一侧的主索塔架稍为高一点，本工程预制场侧主索塔架顶高度比对岸主索塔架顶高度高2 m，塔架高度为88 m。

3 扣索计算

每一节段吊装完成后，均会对之前已经张拉的扣索索力产生影响，故每完成一节段的吊装，需对所有已安装的扣索索力进行调整。下面对各施工阶段的扣索索力进行计算，从而了解扣索索力的变化情况，对吊装的安全进行与拱肋的线形把控有着重要的作用。扣索计算简图如图2所示。

3.1 计算假定

（1）拱肋架设过程中，拱脚及拱肋接头处视为铰接，不承受弯矩。

（2）各拱肋节段刚度相对于扣索为无穷大，视为刚体。

（3）假定各拱肋节段的重心位于纵向的中心。

（4）因风缆位置不确定，暂未计算风缆对扣索拉力的影响，整体考虑1.1的系数。

（5）合龙段重量由两侧扣索各承担一半。

3.2 扣索索力计算

根据假定，拱肋被分成了相互铰接的节段，且各拱肋节段的重心位于纵向的中心，故可以采用简单的平面力系平衡，将拱肋的不同节段分离出来求解索力。在不同的施工阶段，先根据拱肋接头处弯矩M为0，计算当前节段的扣索索力;然后根据拱肋接头处∑X与∑Y均为0，计算接头处的节点力;之后再计算上一节段的扣索索力，如此循环，直到计算到第一个节段。扣索分段计算原理如图3所示。经过计算，扣索索力计算结果如表2、表3所示。并对扣索进行安全系数验算，均满足要求。

注：（1）负数表示吊装下一节段时，使得扣索的拉力变小;

（2）当扣索合力为负数时，表示该扣索的张力为0;

（3）考虑到拱肋稳定风缆的作用和吊装振动，扣索受力乘以1.1的系数;

（4）施工过程中要求每吊装一段拱肋，在主缆卸力过程中调整全部扣索张力，确保全部受力均匀

4 结语

本文以某实际工程为例，对大跨径钢管混凝土拱桥钢管拱肋缆索吊装施工过程中主索和扣索的控制要素进行计算，现对计算的关键内容进行总结。

（1）主索需进行最大拉应力和最大垂度的验算与吊装过程中的控制垂度计算。之后，根据计算的垂度来计算主索塔的高度，以保证施工的安全和施工的顺利进行。

（2）扣索则将钢拱肋看成由几个刚体节段铰接而成，根据平面力系平衡，求出各个节段吊装结束后的该节段的扣索索力与前几个节段扣索索力的变化，然后根据每个扣索在缆索吊装施工过程中的最大索力进行安全系数验算，以保证施工的安全和拱肋的线形。

参考文献：

[1]蒋 玮，李莘哲.钢管拱桥缆索吊装施工中主索结构状态高精度计算[J].中外公路，2020，40（2）：123-126.

[2]顾 颖，姚昌荣，李亚东，等.大跨度钢管混凝土拱桥安装线形控制方法研究[J].桥梁建设，2014，44（1）：107-113.

[3]周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.