李海軍

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

鋼管砼拱橋主拱圈交替吊裝和分幅合龍中空間效應(yīng)分析

李海軍

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

鋼管砼拱橋主拱圈常采用交替吊裝、分幅合龍的施工方法，吊裝過程中兩幅拱肋間通過橫向米撐連接成為一個空間體系，其理論線形與受力計算具有明顯的空間效應(yīng)特征。文中采用MIDAS／Civil有限元分析程序模擬實際施工工序?qū)F州省總溪河特大橋空鋼管的成拱過程進行空間效應(yīng)分析。結(jié)果表明，同一梁段左右幅的定位標(biāo)高和扣索張拉力不同；先合龍幅的軸線偏位應(yīng)先設(shè)置一定的預(yù)偏，以保證全部合龍后的軸線偏位正確回中；采用交替吊裝、分幅合龍的鋼管砼拱橋在空鋼管成拱過程中的線形控制必須充分重視其空間效應(yīng)，確保主拱圈合龍后的線形滿足施工控制要求。

橋梁；鋼管砼拱橋；交替吊裝；分幅合龍；空間效應(yīng)

鋼管砼拱橋是一種自架設(shè)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度分階段逐漸組合而成，體系靈活多變，能適應(yīng)不同地質(zhì)和地形條件，近年來在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。施工控制是鋼管砼拱橋建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)，而主拱圈吊裝過程中的空間效應(yīng)分析是其中的關(guān)鍵，決定著主拱圈合龍后線形和受力是否滿足設(shè)計要求。

目前對鋼管砼拱橋主拱圈線形控制方法的研究主要集中在主拱圈平面線形控制上，極少考慮主拱圈的空間效應(yīng)對線形控制的影響。文獻［9］以銅湯（銅陵—湯口）高速公路太平湖大橋為工程背景，考慮到拱肋合龍時天氣較惡劣、整個拱肋大懸臂時抗風(fēng)穩(wěn)定性較差，采用單邊合龍的方法，降低了大懸臂施工風(fēng)險，但也給整體結(jié)構(gòu)性能帶來一定的負(fù)面影響，主要原因是單邊合龍后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，兩幅拱肋受力和變形特性不再對稱。文獻［10］以南浦大橋為工程背景，采用跨中預(yù)留間隙單邊嵌入的合龍方式，即在兩岸鋼管桁架遵循上下游對稱、兩岸對稱的原則，齊頭并進安裝完第五節(jié)段橫撐后，上游先合龍，下游再采用同樣的方式合龍。以上研究雖然都提及了主拱圈分幅合龍，但并沒有對此過程中的空間效應(yīng)進行詳細(xì)闡述，而該問題在鋼管砼拱橋施工控制過程中是不可回避的。該文以貴州省總溪河特大橋為工程背景，對主拱圈交替吊裝、分幅合龍過程中的空間效應(yīng)進行研究，為同類型橋梁施工控制計算提供參考。

1 空間效應(yīng)分析

1.1 主拱圈交替吊裝

主拱圈交替吊裝是指先吊裝某一幅的2個或更多節(jié)段再吊裝另一幅的相應(yīng)節(jié)段，然后在兩幅拱肋間安裝橫撐，如此交替進行，直至主拱圈合龍。受主拱圈空間效應(yīng)的影響，線形控制難度加大。施工過程中，左、右兩幅同一節(jié)段因吊裝順序不同，理論線形會有所不同，原因是先吊裝的拱段扣索力使主拱圈處于偏心受力狀態(tài)，在其作用下主拱圈的標(biāo)高和軸線會偏離理論位置，另一幅相應(yīng)節(jié)段吊裝完成后主拱圈才能處于平衡狀態(tài)，標(biāo)高和軸線也回到相應(yīng)的理論位置。如圖1所示，假設(shè)主拱圈已交替吊裝至n-1節(jié)段，下一輪交替吊裝n、n+1節(jié)段，施工步驟為左幅n節(jié)段→左幅n+1節(jié)段→右幅n節(jié)段

→右幅n+1節(jié)段→橫向米撐。

圖1 主拱圈交替吊裝施工步驟示意圖

交替吊裝過程中由于空間效應(yīng)而導(dǎo)致的第一個不同之處在于主拱圈各節(jié)段定位時標(biāo)高和索力不同，標(biāo)高決定索力，索力影響標(biāo)高，二者一一對應(yīng)，拱段定位時應(yīng)以標(biāo)高控制為主、索力控制為輔。利用MIDAS／Civil建立有限元分析模型模擬上述交替吊裝過程，通過計算可得各節(jié)段定位時的索力與標(biāo)高理論值（見表1）。

表1 各節(jié)段定位時索力與標(biāo)高理論值

表1中 ，F(xiàn)nz＞Fny，F(xiàn)n+1z＞Fn+1y，Hnz＜Hny，H n+1z＜ Hn+1y，F(xiàn)?nz=F′ny，F(xiàn)″n+1z=Fn+1y，H?nz= H′ny，H″n+1z=Hn+1y，即同一節(jié)段因吊裝順序不同，控制索力和標(biāo)高不同。

交替吊裝過程中由空間效應(yīng)導(dǎo)致的另一個不同之處是吊裝過程中橫向偏位的控制不同，主拱圈成拱后橫向偏位是否滿足設(shè)計要求，直接決定主拱圈的受力是否滿足設(shè)計要求。左幅n節(jié)段吊裝后，其扣索力水平分力相當(dāng)于在主拱圈左幅施加水平荷載，該水平荷載相對于整個主拱圈來說為橫向偏心荷載，主拱圈會產(chǎn)生向左的橫向偏位。吊裝左幅n+1節(jié)段時，由于左幅扣索力增大，這一橫向偏位將繼續(xù)增大。但隨著右幅n、n+1節(jié)段吊裝完成，右幅的扣索力水平分力會使整個主拱圈的水平荷載逐步回中，前一過程產(chǎn)生的橫向偏位也自動歸零。因此，在這個過程中，主拱圈出現(xiàn)的在允許范圍之內(nèi)的橫向偏位無需調(diào)整，若強行將其調(diào)整至零偏位，則右幅n、n+1節(jié)段的吊裝又將導(dǎo)致主拱圈出現(xiàn)向右的橫向偏位。

1.2 主拱圈分幅合龍

鋼管砼拱橋主拱圈分幅合龍是指主拱圈處于最大懸臂之前先單幅合龍再合龍另一幅。分幅合龍雖然可避免出現(xiàn)最大懸臂這一最不利狀態(tài)，但會加大合龍難度。假設(shè)主拱圈左幅先合龍，各節(jié)段在其扣索力水平分力作用下會產(chǎn)生向左的橫向偏位，分別為Δ1、Δ2、…、Δn，與交替吊裝過程不同的是，合龍右幅時橫向偏位Δ1、Δ2、…、Δn會有所減小，但不會全部為零，所以左幅合龍之前應(yīng)對各節(jié)段橫向偏位作適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，左幅合龍后再吊裝右幅時，主拱圈各節(jié)段橫向偏位的減小量分別為Δ′1、Δ′2、…、Δ′n，故左幅合龍之前各節(jié)段橫向偏位調(diào)整量分別為Δ1-Δ′1、Δ2-Δ′2、…、Δn-Δ′n?？梢酝ㄟ^風(fēng)纜進行調(diào)節(jié)，待右幅合龍完畢后主拱圈回到理論位置。如果左幅合龍之前不對主拱圈橫向偏位進行調(diào)整，則主拱圈全部合龍后各節(jié)段橫向偏位不可能為零。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

總溪河特大橋為杭瑞（杭州—瑞麗）高速公路貴州省境內(nèi)的重要控制性工程，主橋采用跨徑360 m上承式鋼管砼變截面桁架拱，橋面寬度24.5 m，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.3，矢高h(yuǎn)=69 m，矢跨比f=1／5.217。主拱圈采用等寬度變高度空間桁架結(jié)構(gòu)，肋間設(shè)橫撐和米撐。鋼管拱肋對接接頭采用管內(nèi)法蘭盤栓接、管外焊接的形式連接。主拱圈采用無支架纜索吊裝千斤頂斜拉扣掛法施工，從拱腳至拱頂共劃分為14個節(jié)段，全橋共58個節(jié)段。其立面布置見圖2，橫斷面布置見圖3。

圖2 總溪河特大橋立面布置（單位：cm）

2.2 有限元分析

主拱圈吊裝過程中，為了實現(xiàn)工期目標(biāo)，并考慮到吊裝設(shè)備的限制，采用交替吊裝、分幅合龍的方案，采用有限元平面桿系計算程序BDCMS結(jié)合MIDAS／Civil進行施工控制理論計算。主拱圈有限元計算模型如圖4所示。

圖3 總溪河特大橋橫斷面布置（單位：cm）

圖4 總溪河特大橋主拱圈有限元計算模型

以畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝過程為例，通過有限元分析，這4個節(jié)段吊裝時，受主拱圈空間效應(yīng)的影響，不同工況下同一節(jié)段的索力和標(biāo)高理論值各不相同（見表2）。

由表2可知：同一節(jié)段由于吊裝順序不同，受主拱圈空間效應(yīng)的影響，定位時的索力和標(biāo)高會有所差異。右幅11＃節(jié)段和左幅11＃節(jié)段相比，索力小18.7 k N，標(biāo)高高12 mm；右幅12＃節(jié)段與左幅12＃節(jié)段相比，索力小19 k N，標(biāo)高高11 mm。11＃、12＃節(jié)段全部吊裝完成后，主拱圈處于平衡狀態(tài)，同一節(jié)段索力和標(biāo)高相等。然后安裝橫向米撐，完成一個完整的交替吊裝過程。如此循環(huán)，完成整個主拱圈的施工。

若在上述吊裝過程中忽略主拱圈空間效應(yīng)的影響，對同一節(jié)段采用相同的索力和標(biāo)高進行控制，各節(jié)段的索力和標(biāo)高見表3。

表2 考慮主拱圈空間效應(yīng)時畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝時各節(jié)段索力和標(biāo)高

表3 忽略主拱圈空間效應(yīng)時畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝時各節(jié)段索力和標(biāo)高

由表3可知：對于同一節(jié)段，如果不考慮主拱圈空間效應(yīng)的影響，采用相同的索力和標(biāo)高進行控制，必然會導(dǎo)致吊裝完成后主拱圈兩幅標(biāo)高和索力均不對稱。右幅11＃節(jié)段與左幅11＃節(jié)段相比，索力大18.7 k N，標(biāo)高低12 mm；右幅12＃節(jié)段與左幅12＃節(jié)段相比，索力大19 k N，標(biāo)高低11 mm。這將給后續(xù)工序的施工帶來困難。

畢節(jié)岸11＃、12＃節(jié)段吊裝過程中，由左幅11＃、12＃節(jié)段扣索力水平分力引起的主拱圈橫向偏心荷載導(dǎo)致主拱圈各節(jié)段出現(xiàn)表4所示橫向偏位。

根據(jù)以上分析，右幅11＃、12＃節(jié)段吊裝完成后，主拱圈總的扣索水平力橫向?qū)ΨQ，各節(jié)段橫向偏位為零，在左幅12＃節(jié)段吊裝后如出現(xiàn)表4所示橫向偏位，則不需要調(diào)整。若強行將各節(jié)段橫向偏位調(diào)整到零，則右幅11＃、12＃節(jié)段的吊裝又會使主拱圈各節(jié)段出現(xiàn)向右的橫向偏位，反而會使最終的橫向偏位不居中，帶來額外的軸線偏差。

表4 左幅12＃節(jié)段吊裝后各節(jié)段橫向偏位mm

主拱圈交替吊裝至12＃節(jié)段后，采用分幅合龍的方案進行合龍，先吊裝右幅13＃、14＃節(jié)段并合龍，且右幅合龍之前對主拱圈各節(jié)段橫向偏位進行調(diào)整，因為右幅合龍后主拱圈體系發(fā)生變化，左幅13＃、14＃節(jié)段的吊裝無法完全消除主拱圈各節(jié)段的橫向偏位。通過有限元分析，右幅合龍之前各節(jié)段的橫向偏位見表5，左幅14＃節(jié)段吊裝后各節(jié)段的橫向偏位改變量見表6，由此可計算出右幅合龍之前主拱圈各節(jié)段的橫向偏位調(diào)整量（見表7）。各節(jié)段橫向偏位可通過風(fēng)纜進行調(diào)節(jié)。

表5 右幅合龍前各節(jié)段橫向偏位mm

表6 左幅14＃節(jié)段吊裝后各節(jié)段橫向偏位改變量mm

表7 右幅合龍前各節(jié)段橫向偏位調(diào)整量mm

綜上所述，總溪河特大橋分幅合龍過程中，右幅合龍前主拱圈各節(jié)段橫向偏位應(yīng)按表5所示理論值進行控制，然后在風(fēng)纜調(diào)節(jié)時按表7所示進行調(diào)整，最終左幅合龍后主拱圈的軸線才能順利居中。

3 結(jié)論

（1）鋼管砼拱橋主拱圈在采用交替吊裝施工方法時會呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)特征，左、右幅同一節(jié)段在安裝定位時的標(biāo)高和索力理論值不同，在進行線形控制時需充分考慮主拱圈空間效應(yīng)的影響，對左、右幅相同節(jié)段采用不同的理論值進行精確定位。

（2）主拱圈交替吊裝過程中，單幅先吊裝節(jié)段的扣索力會產(chǎn)生橫向偏心水平荷載，使主拱圈產(chǎn)生軸線偏差，對于該軸線偏差不需進行額外調(diào)整，在另一幅相應(yīng)節(jié)段吊裝并索力張拉到位后軸線偏差會自動歸零。

（3）主拱圈交替吊裝和分幅合龍時，由于單幅合龍后主拱圈體系改變，單幅合龍前的橫向偏位不能像懸臂拼裝時一樣不作調(diào)整，而需準(zhǔn)確計算出另一幅的吊裝對先吊裝一幅所帶來的軸線變化，然后確定單幅合龍前各節(jié)段橫向偏位的調(diào)整量，并采用風(fēng)纜進行調(diào)整，這樣才能使最終合龍后的主拱圈橫向偏差歸零。

［1］ 郝聶冰，張雪松，唐鵬勝，等.大跨徑鋼管混凝土拱橋吊裝線形控制方法研究［J］.中外公路，2013，33（3）.

［2］ 涂光亞，盧偉升，張克波，等.大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝的線形控制［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（1）.

［3］ 顧穎，姚昌榮，李亞東，等.大跨度鋼管混凝土拱橋安裝線形控制方法研究［J］.橋梁建設(shè)，2014，44（1）.

［4］ 郝聶冰，顧安邦.500 m級鋼管混凝土拱橋施工控制［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2015，50（4）.

［5］ PMata，S Oller，AH Barbat.Static analysis of beam structures under nonlinear geometric and constitutive behavior［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2007，196（45）.

［6］ 霍慶杰.鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控技術(shù)研究［D］.石家莊：河北科技大學(xué)，2012.

［7］ 周建超.吊裝工藝下鋼管混凝土拱橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013.

［8］ 劉新根.鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝及注漿力學(xué)仿真分析［J］.世界橋梁，2014，42（4）.

［9］ 姚運昌.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［10］ 張冶成.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

［11］ 袁海慶，范劍鋒，范小春.鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝過程的線形優(yōu)化方法［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002，24（2）.

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