广南高速昭化嘉陵江特大桥扣索系统设计与分析

刘瑞山

摘要 文章以昭化嘉陵江特大桥为施工背景，介绍了扣挂系统构造、扣索系统分析、锚索计算和静阵风载计算等施工技术要点，并采用大型有限元软件Midas进行了钢管劲性骨架拱肋节段缆索吊装的仿真分析，得出了各阶段扣索和锚索的索力以及钢骨架的应力值，考虑了在最大悬臂阶段阵风风载对扣索系统的影响，为施工提供了指导。

关键词 昭化嘉陵江特大桥；Midas； 缆索吊装；仿真分析；阵风荷载

中图分类号 U442.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0048-03

0 引言

昭化嘉陵江特大桥是广南高速公路重要的跨江大桥，建成后缩短了贵州和四川之间的交通时间和距离。为确保桥梁施工的安全和顺利进行，扣索系统的设计和分析是至关重要的一环[1]。该文将围绕该工程的扣索系统展开探讨，分别从扣挂系统构造、扣索系统分析等方面进行阐述。在扣索系统分析中，将介绍相关的模型和方法，并分别进行扣索张力分析、骨架應力分析、锚索计算以及扣索系统静阵风载计算等方面的研究，以期为该工程的扣索系统设计和安全性评估提供参考[2]。

1 工程概况

昭化嘉陵江特大桥位于广元市昭化镇，跨越嘉陵江。大桥左幅起于K12+420.223，右幅起于K12+420.223，两幅均止于K13+284.223，全桥长864 m，主桥桥面纵坡?0.3%，采用整幅设计。全桥跨径组合为（8×30）m预应力简支小箱梁+跨径364 m拱桥+（8×30）m预应力简支小箱梁，主桥长364 m，引桥长500 m。

2 扣索系统分析

单侧钢骨架共设置6个扣段和13个吊装节段，除1号扣段由预埋段及1、2吊段组成外，其余均是两个吊段为一扣段。安装分为三个阶段进行：第一阶段进行南充侧13个节段安装；第二阶段进行广元侧13个节段安装；第三阶段合龙段安装。具体施工工况划分见表1。

广元岸和南充岸的1#和2#扣索通过锚固在盖梁上进行张拉。而3#、4#、5#和6#扣索则直接锚固在墩顶钢锚箱上进行张拉。此外，6#和7#临时扣索固结在吊装索塔的塔顶。为了实现临时固结，采用了直径为Φ47.5的钢丝绳作为临时扣索材料[3]。

2.1 模型介绍

为确保钢骨架拱肋的安全安装，采用Midas有限元模型进行模拟计算。图1为吊装计算模型图。在该模型中，昭化嘉陵江特大桥的钢骨架使用梁单元表示，全桥总共包含共3 746个单元。正式扣索和5#、6#临时扣索则采用索单元表示，每幅拱肋上相同角度的一对（临时）扣索合并为1根，扣点选在中间钢管处。整座桥梁共建有12对正式扣索和4对临时扣索，所有扣索均采用单元模拟计算[4]。扣索锚固点及拱脚均采用固接，荷载除钢骨架自重外，还考虑了临时施工荷载。通过模拟计算钢骨架拱肋的吊装过程，确保整个结构的安全性和稳定性[5]。全桥各部件单元选择与材料特性见表2。

2.2 扣索张力分析

扣索张力采用正装迭代法计算。计算结果如下：两岸单肋单根扣索在各施工阶段张力见表3～4：

在实际施工中，由于施工条件影响，尾索及扣索的水平力总存在一定差值，按照《公路桥涵施工规范》要求，塔脚铰接的支架，塔顶偏位不得大于l/150（l为塔高），对该桥吊装索塔而言，其偏位应控制在±0.203 m内[6]。根据计算，索塔容许水平力极限差值为25.2 t。

2.3 骨架应力分析

南充岸吊装阶段最大应力出现在吊装第六段，钢结构最大压应力出现在拱脚下弦杆位置，最大压应力为80.11 MPa，最大拉应力出现在拱脚上弦杆位置，最大拉应力为44.73 MPa。图2为南充岸第6节段。

广元岸吊装阶段最大应力出现在吊装第六段，钢结构出现在拱脚下弦杆位置，最大压应力为81.44 MPa，出现在拱脚上弦杆位置，最大拉应力为43.97 MPa。图3为广元岸第6节段。

以上结果表明，单肋吊装时钢管骨架应力均小于《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》上规定的Q345钢的抗压轴向容许应力[σ]=200 MPa和剪切容许应力[τ]=120 MPa，满足强度要求。

2.4 锚索计算

根据锚索张力水平力与扣索张力水平力相等原则（方向相反），计算出各施工阶段全桥两岸锚索张力见表5。

2.5 扣索系统静阵风载计算

为了评估阵风荷载对扣索系统的影响，特采用通用有限元程序Midas对吊装系统的结构受力进行了分析。以该桥施工过程中的最大悬臂状态（即吊装第6#扣段后），并考虑了横桥向的计算风压。通过这一分析，研究了拱肋劲性骨架在该荷载（横桥向）作用下的强度和变形情况，以评估扣锁系统的安全性和稳定性。拱肋劲性骨架的计算如下：

W横=K0K1K2K3K5W0 （1）

式中，W横——横向风压；K0——设计风速重现期换算系数，K0=1.0；K1——风载阻力系数，K1=1.1；K2——考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，K2=1.48；K3——地形、地理条件系数，K3=1.4；K5——阵风风速系数，K5=1.38；W0——基本风压，W0=0.35 kN/m2（根据兰州至海口高速公路广元至南充段两阶段施工设计图数据）。

W纵=0.4W横 （2）

将参数代入公式（1）（2）中，有

W横=K0K1K2K3K5W0

=1.0×1.1×1.48×1.4×1.38×350=1 100.85 Pa

W纵=0.4W横=0.4×1 100.85=440.34 Pa

图4为吊装系统静阵风载计算模型图。在最大悬臂状态（吊装第6#扣段后）横向静阵风载作用下，其最大压应力为182.78 MPa，最大拉应力为160.13 MPa，横桥向最大剪应力7.07 MPa。未拉浪风索的条件下，最大悬臂状态（吊装第6#扣段后）横向静阵风载作用下横向偏位dy=0.541 2 m。考虑到强度及其对拱肋合拢影响，所以建议设计布置浪风索。

以上结果表明，单肋吊装时钢管骨架应力均小于《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》上规定的Q345钢的轴向容许应力[σ]=200 MPa和剪切容许应力[τ]=120 MPa，满足要求。

3 结论

该文以昭化嘉陵江特大桥为研究背景，利用大型有限元软件Midas对其扣索系统进行了仿真分析。通过分析扣索系统的各项参数和受力情况，得出以下结论：在施工过程中，需要考虑扣索系统的张力、应力和静阵风荷载，并采取相应的措施来防范潜在问题。该文的研究，为昭化嘉陵江特大桥的扣索系统施工提供了一定的理论基础和技术支持，对于确保桥梁施工质量和工程安全具有重要的指导作用。

参考文献

[1]王晓棠. 缆索吊装系统索塔结构设计探讨[J]. 城市建筑， 2020（9）： 156-157+160.

[2]刘增武， 周建庭， 吴月星. 大跨悬浇钢筋混凝土拱桥施工扣索力优化计算分析[J]. 交通科技， 2020（1）： 1-6.

[3]李卫， 侯圣均， 陈全胜. 云南红河特大桥加劲梁施工方案研究[J]. 世界桥梁， 2020（2）： 40-44.

[4]夏祥斗. 梅溪河特大桥钢拱肋吊装施工扣索索力计算[J]. 施工技术， 2020（9）： 85-88.

[5]刘新华， 李秋， 彭元诚， 等. 湖北云南庄特大桥设计关键技术[J]. 中外公路， 2021（1）： 112-116.

[6]徐金华， 杨磊. 两河口特大桥缆索吊装系统设计与分析[J]. 北方交通， 2019（1）： 27-31.