大跨径钢箱梁提篮拱缆索吊装关键技术研究

李学红

(湖南顺昌建筑有限公司，湖南 常德 415000)

随着我国桥梁建造技术的飞速发展，钢箱梁在拱桥中的应用愈加广泛。相比于混凝土拱桥，钢箱梁拱桥具有自重轻、跨越能力大等优势。在钢箱梁施工过程中，缆索吊装是其最重要的一环，对缆索吊装施工控制决定了整座桥梁的安全。国内外众多学者已经开展了相关研究，莫志强对缆索吊装过程中缆索吊装过程中主索滑移和塔偏的影响效应进行了分析，得到了主索滑移和塔偏位对主索和塔架影响的量化结果；冯四超对某大跨径缆索吊装钢筋混凝土拱桥施工关键技术进行了总结；宋刚、陶忠、李睿等对云南某系杆拱桥缆索吊装过程进行监控，总结了一套切实可行的吊装施工技术。为探究缆索吊装过程中整体结构的力学特征，本文以甬江大桥为研究背景，使用数值分析法对缆索吊装关键技术进行分析，研究成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

以甬江大桥钢箱梁提篮拱为研究对象，桥跨布置为(100+450+100)m，主拱拱肋采用双肢钢箱梁的结构形式。拱肋分为上下两肢，边跨下肢为2次抛物线，矢高4.5 m，主跨下肢为悬链线，矢跨比0.2，拱轴系数1.6，上肢拱为圆曲线和二次抛物线组合，主跨下肢拱截面宽度3.5 m，截面高度从6.5 m(拱座处)变至4.8 m(拱顶处上、下肢结合的凸形截面)，顶、底板厚度30～55 mm，腹板厚度25～30 mm；边拱下肢拱截面宽度3.5 m，截面高度从6.0 m(拱座处)变至5.0 m(尾端处)，顶、底板厚度30～35 mm，腹板厚度20～30 mm；上肢拱截面宽度为2.8 m，高度为3.0 m，顶、底板厚度16～20 mm，腹板厚度16～20 mm。施工工艺为缆索吊装施工，主索系统采用φ60 mm钢丝绳，每一跨每组主索均设有二台起吊小车，并设有独立的牵引及起重系统。

2 分析工况确定及有限元模拟

根据施工过程及工艺，本文选取三个关键节段进行分析，见表1。分别建立三种工况下ANSYS有限元模型，其中，工况1有限元模型中钢管及附属连接杆件均采用梁单元BEAM188模拟，塔脚使用固定约束；工况2有限元模型中钢管及附属连接杆件均采用梁单元BEAM188模拟，纵向风揽用LINK10杆单元模拟，另一侧扣塔采用等效法进行模拟，塔脚使用固定约束，风揽的初始张拉力根据设计文件及监控报告确定；工况3建模方式与工况1和工况2相同，在此不做赘述，在工况2和工况3建模时，为模拟其施工过程，采用ANSYS中的“单元生死”功能模拟其施工阶段，使用映射法进行网络划分，有限元模型见图3。

表1 分析工况表

3 计算结果分析

考虑结构自重、施工期临时荷载以及静风荷载三种荷载组合，其中结构自重可以通过程序自动施加，施工期临时荷载根据设计文件转换为梁单元荷载施加，根据工况不同，确定不同的施工期临时荷载，静风荷载按照以下公式进行计算。

(1)

(2)

(3)

式中：FD，FL和FM分别为单位长度上的阻力、升力和升力矩；ρ为空气密度；CD，CL和CM为阻力、升力和升力矩三分力系数，此处取阻力系数0.8，升力和升力矩系数均为0；D为截面参考宽度，此处取管柱直径。

确定各荷载的计算方法和取值后，分别对比三种工况下钢管桩的最大应力、最大水平位移以及稳定性。

3.1 工况1计算结果

扣塔在自重和静风荷载作用下的稳定系数为13.25。计算结果表明，在工况1作用下，扣塔主要失稳模态为横向局部构件失稳，主要集中于扣塔中间位置。

表2 工况1吊塔最大应力及变形结果

计算结果表明，工况1作用下，应力最大发生位置为吊塔中部斜腹杆位置，最大达113.5 MPa，应力计算结果与发生位置验证了稳定性计算结果的正确性。

3.2 工况2计算结果

对于工况2，试吊最大节段时，通过应力平衡法调整分别得到前后风揽最大张拉应力分别为226.35 MPa、264.18 MPa，将前后风揽力沿水平和竖直方向分解，在进行稳定性分析时计入其影响。

吊塔在自重、静风荷载以及风揽张拉力作用下的稳定系数为9.32，失稳模态见图1。扣塔在自重和静风荷载作用下的变形见图2。计算结果表明，在工况2作用下，扣塔主要失稳模态为中部竖杆失稳，主要集中于吊塔中下位置。

图1 工况2吊塔失稳模态

图2 工况2扣塔变形示意

表3 工况2吊塔最大应力及变形结果

3.3 工况3计算结果

工况3为缆索吊装至最大悬臂状态，同时计入了横向风揽的的作用。根据应力平衡法确定各吊装节段的最大索力，并考虑其对吊塔稳定性的影响。

吊塔在自重、静风荷载以及前后索张拉力作用下的稳定系数为8.46，失稳模态见图3。扣塔在自重和静风荷载作用下的变形见图4。计算结果表明，在工况3作用下，扣塔主要失稳模态为整体失稳，由于横向风揽的作用，吊塔整体稳定性大幅增强。

图3 工况2吊塔失稳模态

图4 工况3扣塔变形示意

表3 工况3吊塔最大应力及变形结果

4 结 论

本文以某提篮拱为研究对象，对比分析了三种工况下吊塔的力学特征，可得到以下结论。

(1)吊塔拼装完成后，稳定性有较大幅度下降，横向位移有较大幅度增加，此时需设置横向风揽。

(2)设置横向风揽后，吊塔稳定性大幅增加，相比于工况2，工况3稳定系数下降幅度较小，因此可认为横向风揽可极大改善扣塔横向失稳的问题。