下承式钢箱拱桥缆索吊装施工过程有限元分析

2021-09-10周广腾安徽省综合交通研究院股份有限公司安徽合肥230001

安徽建筑 2021年9期

周广腾（安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230001）

0 前言

拱桥的施工方法分为有支架方法和无支架方法。无支架施工法包括缆索吊装法、转体施工法、悬臂施工法等。缆索吊装施工方法具有经济、安全、适用范围广等特点，已广泛应用于大跨径拱桥施工中。大跨度拱桥缆索吊装施工一般采用两岸对称悬拼至跨中合龙的斜拉扣挂法，为了保证成桥后的线形符合设计要求，必须提前对施工索力及构件内力进行计算，并在施工中及时纠偏，其中施工过程仿真计算是施工控制的核心和前提。

1 工程概况

某下承式钢箱拱桥主跨160m，矢高32m，桥面宽13.86m。桥面结构采用纵横梁结构体系，混凝土桥面，横桥向双坡，坡度1.5%。系梁为箱型截面，端横梁为箱型截面，其余横梁均为工字型截面。主桥正视图见图1所示。

图1 全桥正视图

本桥采用缆索吊装法施工，通过在两侧主墩设置扣塔、主塔，扣吊合一，扣塔底部固接，主塔铰接于扣塔之上。利用缆索吊进行构件的吊运和拼装，吊装示意见图2所示。主拱分为15节段进行拼装，合龙成型后，拆除扣索，采用悬拼架设桥面体系，并进行吊杆安装和张拉。

图2 缆索吊装示意图

2 有限元模型

钢箱拱节段采用缆索吊装法施工，悬拼的节段通过扣索锚固于扣塔上，施工过程较为复杂。为了准确模拟整个结构体系的受力行为，采用空间杆系有限元程序对主要受力结构进行模拟，包括拱肋、肋间连系、临时塔架（采用万能杆件拼装）、塔架缆风索、锚索、扣索等，有限元模型如图3、图4所示。模型中以荷载形式考虑主索道及工作索道的影响。在模型中，扣索采用索单元模拟，其他构件均采用空间梁单元模拟。拱肋的吊装过程共编制了10073个梁单元，56个索单元，2736个节点。

图3 整体有限元模型图

图4 主塔、扣塔模型图

3 计算荷载

3.1 结构自重

构件自重根据构件几何尺寸和材料容重由程序自动计算，并考虑1.2的自重调整系数，以计入节点板、拼接板和螺栓等重量。

3.2 吊装荷载

吊装荷载主要是主桥拱肋的分段重量，见表1，吊装荷载需考虑1.3的动载系数。

拱肋分段重量统计表表1

3.3 风荷载

本工程项目地处南亚，依据《公路桥梁标准规范》（AASHTO）考虑风荷载。设计基准期为100年，设计基本风速为100年一遇，对施工架设期桥梁设计风速重现期换算系数取0.75。

3.3.1 钢箱拱

设计风速为160km/h，换算设计高程风速（72m处）：

考虑施工阶段10年一遇，进行风荷载折减，风速重现期换算系数取0.75，故：

3.3.2 塔架

设计风速为160km/h，换算设计高程风速（100m处）：

考虑施工阶段10年一遇，进行风荷载折减，风速重现期换算系数取0.75，故：

4 施工阶段划分及过程控制目标

根据全桥施工流程，拱肋安装阶段有限元模型的施工阶段划分见表2所示。拱肋安装过程的总体控制目标是“在拱肋合龙时使拱肋各节点达到设计理论轴线”，即当拱肋合龙后，放松扣索及锚索前，各节点Y向和Z向位移达到设计理论轴线。为了简化施工，避免频繁调节锚索及扣索索力，在施工过程中采取仅张拉当前锚扣索的原则，在拱肋合龙的前一阶段调节全部锚索及扣索索力，预抬高拱肋悬臂端，使得安装合龙段后拱肋各节点达到设计理论轴线。

施工阶段划分表表2

5 拱肋吊装过程分析结果

施工时采用定长扣索法进行控制，即在施工过程中，考虑拱肋后续施工拱肋节段对已施工拱肋节段的影响，预先给拱肋节段一定的预抬高度，在以后的拱肋节段安装中不再调整扣索索力，随着拱肋节段的不断施工，拱肋节段的预抬高值逐渐被扣索的伸长量抵消，到拱肋合龙时，预抬高值刚好被抵消，拱肋轴线刚好落在设计拱轴线上。在具体施工阶段，具体索力值见表3、表4所示。施工控制时采用“双控”，即变形、索力控制，以变形控制为主，索力控制为辅。拱肋吊装各阶段拱肋位移见表5所示，主塔、扣塔应力见表6所示。