拱桥吊装施工斜拉扣挂和劲性骨架受力分析∗

2016-06-08李建晖肖新辉

公路与汽运 2016年3期

关键词：受力分析拱桥桥梁

李建晖，肖新辉

（1.湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南吉首 416000；2.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

拱桥吊装施工斜拉扣挂和劲性骨架受力分析∗

李建晖1，肖新辉2

（1.湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南吉首 416000；2.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

摘要：为了分析拱桥吊装过程中斜拉扣挂索力、劲性骨架位移和稳定安全系数，以磨刀溪特大桥为工程背景，采用力矩平衡法计算分析吊装施工过程中斜拉扣挂索力，基于有限元软件MIDAS建立考虑施工过程的数值模型，并基于现场实测数据对模型计算数据进行验证。研究表明，力矩平衡法能适用于拱桥劲性骨架吊装施工过程斜拉扣挂索力的计算；随着施工阶段的累计，悬臂较小处骨架节段位移变化值较小，悬臂较大处累计位移较大；吊装施工过程中，钢拱圈稳定性系数逐步降低，直至悬臂最大处安全系数降至最低；劲性骨架合龙后其安全系数呈现急剧上升趋势。

关键词：桥梁；拱桥；吊装施工；斜拉扣挂；劲性骨架；受力分析

缆索吊装广泛运用于钢管砼施工中。各施工阶段结构的强度和稳定性安全系数极其重要。

在吊装拼装过程中，预制骨架节段底部采用焊接约束，顶部采用斜拉扣挂的形式锚固，依次循环进行吊装施工直至合龙。吊装过程中斜拉扣挂索力是影响劲性骨架线形和成桥线形的关键因素之一。零弯矩法、零位移法、有限元法和力矩平衡法等常应用于扣索索力计算中。力矩平衡法因其计算简便，同时能满足施工精度要求，在拱桥吊装施工中应用广泛。吊装过程中关键节点的位移控制是线形控制的另一重要因素。拱桥在悬臂吊装状态下骨架的稳定性远小于合龙状态，需对各施工阶段的稳定性系数进行计算。该文以叙古（叙永—古蔺）高速公路磨刀溪特大桥拱桥劲性骨架吊装施工为工程背景，采用力矩平衡法计算斜拉扣挂索力，在此基础上采用有限元软件对劲性骨架关键点的位移进行分析计算，同时通过现场监测数据进行验证，分析各施工阶段骨架的安全系数。

1　工程概况和施工工况

磨刀溪特大桥主桥为钢筋砼劲性骨架上承式拱桥，跨径L=280 m，净失跨比f/L=3.7∶1，拱轴系数m=2.2，为等高截面悬链线无铰拱。采用先分段缆索吊装劲性骨架并合龙，再浇筑砼，施工拱上立柱，最后缆索吊装桥面系28 m小箱梁的施工方案。劲性骨架由对称的5个节段拼装而成，用J i表示节段编号。每个节段又分为2个小节段，用J i-j表示小节段编号。将吊装施工工况按照劲性骨架的小节段进行编号（见图1、表1）。

图1　磨刀溪吊装施工示意图

表1　吊装节段重量及长度

2　斜拉索索力分析

力矩平衡法是在吊装施工过程中保持钢管拱根部力矩为零的一种简化计算方法，索力计算见图2。

图2　力矩平衡法索力计算简图

如图2所示，当第一节段吊装完毕，其他劲性骨架阶段尚未进行施工时，1#索只承担第一节段的重量，对拱脚取矩，得到力矩平衡方程：

当1节段焊接完成，进行2节段吊装施工时，1 和2节段同时受力，则2#扣索索力T2按下式计算：1#索索力受到扰动，取值将有所变化，其表达式为：

依次类推，计算后续施工工况。

吊装过程中斜拉索索力控制精度的大小直接关系到劲性骨架安装线形的精度和拉索施工的安全系数。采用力矩平衡法对拉索索力进行计算，各施工阶段索力计算值见表2。采用振弦索力测量仪对每个施工过程进行索力监测，确保计算精度。对比分析施工现场测量值和计算索力值（见图3），各施工阶段实测索力和理论计算索力的误差在5%以内；在工况J3-1阶段，扣索1出现最大索力误差，为-3.8%；在工况J5-1阶段，扣索2、扣索3、扣索4误差最大，分别为4%、3.2%、3.6%。

表2　扣索各工况受力　k N

图3　不同施工工况扣索索力误差

3　吊装阶段劲性骨架位移和稳定性分析

3.1劲性骨架位移分析

精确求解劲性骨架吊装阶段关键截面的位移值，能为拱桥施工提供施工预抬值，确保拱桥拱圈的线形与设计线形贴合。

采用有限元软件MIDAS/Civil建模，全桥节点、单元分别为813和881个。采用梁单元模拟主拱圈和上部结构、桁架单元模型扣锁和尾索，分9个细部施工阶段模拟劲性骨架吊装施工全过程。有限元模型见图4。选取劲性骨架节段与节段焊接位置为位移关键点，用yji表示。需说明的是，劲性骨架受斜拉扣索和其自重共同作用，关键点位移有可能出现正位移（z方向向上）和负位移（z方向向下）。

为验证各施工阶段位移计算值的准确性，在各阶段端部焊接棱镜头，观测各施工工况关键截面的位移值。结果见图5、表3。

由表3可知：随着施工阶段的累加，关键点yj1-1和yj2-1的位移呈现正增长趋势，造成该现象的因素为斜拉索的增加，索力大于骨架重力。而关键点yj3-1、yj4-1和yj5-1下挠趋势明显，主要原因为施工阶段悬臂过长，骨架自身出现下挠变形。通过位移监测对比模型数据，两者之间误差在5 mm以内，证明模型计算准确。