石玉燦

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

鋼拱橋有著悠久歷史，在拱橋的施工過程中，逐漸積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)近幾年拱橋的施工方法，一般有下面幾種：支架施工法、懸臂施工法[1]、轉(zhuǎn)體施工法[2]、纜索吊裝法[3]和整體吊裝法[4]。整體吊裝法施工是用具有足夠吊裝能力的起重設(shè)備將已經(jīng)焊接成型的整片拱肋起吊，安裝合龍[4]。鋼箱拱橋整體吊裝施工方法具有工期短、對通航影響較小、減少高空作業(yè)的危險(xiǎn)、易于保證施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)點(diǎn)[5]。但是目前整體吊裝施工多用于中小型橋梁，在大跨度鋼箱拱橋中的研究較少。為此本文作者以某在建的拱橋?yàn)閷?shí)例，研究大跨度鋼箱拱橋整體吊裝施工的安全性。該橋整體吊裝施工面臨兩個(gè)難題：由于中拱段部分質(zhì)量較大，拱肋結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，施工過程中，拱肋的受力情況對施工安全至關(guān)重要；施工過程中，吊裝段結(jié)構(gòu)的變形將影響最終合龍，因此將合龍誤差控制在可控范圍內(nèi)對施工非常關(guān)鍵。針對大跨度鋼箱拱橋施工過程中出現(xiàn)的難題，本文作者結(jié)合有限元對結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)行分析，有效地解決了這一問題。

1 工程背景

1.1 橋梁概況

該橋主橋?yàn)橹谐惺戒撓涔皹?，結(jié)構(gòu)體系為有推力提籃式拱橋。主拱部分拱肋由混凝土段和鋼箱拱肋段組成，拱軸線為懸鏈線。主拱凈跨徑為450 m，凈矢高為100 m，矢跨比為1∶4.5，拱平面與豎直平面的夾角10°。拱肋分布見圖1。

圖1 該橋整體分布

1.2 施工方法

拱肋施工過程按照拱肋節(jié)段分為邊拱段施工和中拱段施工兩個(gè)部分。將主拱兩側(cè)93.5 m長的部分劃分為邊拱段，邊拱段采用低位支架拼裝的施工方法。將主拱中間263 m部分劃分為中拱段，總重量5 200 t，中拱段采用整體吊裝的施工方法。中拱段施工分為三個(gè)步驟，依次是低位拼裝、張拉預(yù)應(yīng)力索、整體吊裝。

2 有限元模型建立

2.1 作用荷載及計(jì)算工況

在整體吊裝過程中，拱肋結(jié)構(gòu)受到三個(gè)荷載，分別是結(jié)構(gòu)自重、縱向水平拉索預(yù)應(yīng)力(每一側(cè)拉索張拉21 000 kN的預(yù)應(yīng)力)以及結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載(根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，大小取755 N/m2， 方向?yàn)樗綑M橋向)。

按照約束條件和荷載組合的不同，共分為以下三個(gè)工況：

工況一：自重，中拱段兩端固結(jié)。

工況二：自重+風(fēng)荷載，豎直鋼束上部吊點(diǎn)固定。

工況三：自重+預(yù)應(yīng)力+風(fēng)荷載，豎直鋼束上部吊點(diǎn)固定。

2.2 單元模擬

中拱段吊裝結(jié)構(gòu)模型中，鋼箱拱肋、加勁肋、橫隔板、橫撐和抱箍(抱箍為施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)，作用是連接吊索與鋼箱拱肋)等5部分采用采用空間板殼單元shell63[6]；豎直吊裝鋼束、水平預(yù)應(yīng)力索都是采用桿系單元link10。模型共計(jì)217 941個(gè)節(jié)點(diǎn)，450 376個(gè)單元。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型示意

2.3 邊界條件

不同的工況，有不同邊界條件。工況一模擬成橋階段拱肋受力，在工況一中，邊界條件是中拱段左右兩端固結(jié)。工況二和工況三都是模擬吊裝階段，具有相同的邊界條件，固結(jié)吊裝鋼束的頂點(diǎn)。在抱箍的一個(gè)面上，約束橫橋向(Y方向)的位移，模擬橫橋向的限位裝置。為了防止體系的順橋向的剛體運(yùn)動，在中拱段縱向?qū)ΨQ中心線上選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，約束其X方向位移，作為輔助約束。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由于吊裝狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，為多向應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)材料為鋼結(jié)構(gòu)，故應(yīng)力分析中采用Von Mises應(yīng)力[7]，其定義為：

式中：σ1、σ2、σ3為該位置的三個(gè)主應(yīng)力。

鋼箱拱肋和抱箍結(jié)構(gòu)是整體吊裝施工的主要承重構(gòu)件，其在吊裝過程的應(yīng)力水平，對與整體吊裝施工的安全性至關(guān)重要。三種工況下，鋼箱拱和抱箍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力見表1。三個(gè)工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果表明：

(1)成橋階段，鋼箱拱肋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，不超過100 MPa，低于Q345鋼材的的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(2)比較工況二與工況三結(jié)果，添加水平索之后，中拱段拱肋的應(yīng)力減少為沒有預(yù)應(yīng)力的1/2.67，抱箍應(yīng)力減少為沒有預(yù)應(yīng)力的1/6.67，說明吊裝施工過程中預(yù)應(yīng)力的對拱肋應(yīng)力的影響很大。

(3)工況三中，拱肋結(jié)構(gòu)和抱箍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力安全系數(shù)都大于1，吊裝過程中，結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力能夠滿足要求。

(4)吊裝過程中，中拱段的橫撐應(yīng)力水平較低，應(yīng)力最大為34.9 MPa。

3.2 位移計(jì)算結(jié)果

吊裝過程中，位移分析非常重要。位移根據(jù)方向分為兩部分：豎直方向的位移(Z向，以豎直向上為正)，影響到成橋后拱肋的線形；水平順橋向的位移(X向，以拱腳一端到另一端拱腳的方向?yàn)檎?，關(guān)系到中拱段吊裝就位后與邊拱段的合龍精度。三種工況下拱肋結(jié)構(gòu)的位移見圖3～圖5和表2。

表1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 工況一與工況三豎向位移

圖4 工況二豎向位移

圖5 工況二與工況三順橋向位移

表2 位移分析結(jié)果 mm

由位移計(jì)算結(jié)果可見：

(1)在吊裝過程(工況三)中，拱肋結(jié)構(gòu)最大豎向位移差是56 mm，撓跨比為1/4 643，吊裝過程中，拱肋豎向變形能夠滿足要求。中拱段拱腳處的水平位移為36 mm，位移水平較小，能夠滿足合龍施工的誤差要求。

(2)比較工況一與工況三的豎向位移結(jié)果，中拱段吊裝施工時(shí)，拱腳處和拱頂處的豎向位移與成橋階段的位移結(jié)果較為接近，整體吊裝施工方法能夠較好的控制拱肋的線形。

(3)拱橋在無預(yù)應(yīng)力條件下吊裝時(shí)，拱肋的變形很大，豎向撓度為1 296 mm，撓跨比為1/201；水平順橋向產(chǎn)生749 mm的位移差值。有預(yù)應(yīng)力條件下吊裝時(shí)，同無預(yù)應(yīng)力相比，順橋向水平位移減少為沒有預(yù)應(yīng)力的1/10.4，結(jié)構(gòu)的豎直位移減少為沒有預(yù)應(yīng)力的1/23.1。說明吊裝施工過程中預(yù)應(yīng)力的對拱肋變形的影響很大。

4 預(yù)應(yīng)力參數(shù)分析

通過上文可知，有無預(yù)應(yīng)力索對拱橋整體吊裝施工的應(yīng)力變形影響很大。在本章中，繼續(xù)探討預(yù)應(yīng)力大小對拱肋內(nèi)力、變形的影響程度，為在施工中預(yù)應(yīng)力大小的選取提供科學(xué)依據(jù)[8]。

分別選取0.4F、0.6F、0.8F、1.0F、1.2F、1.4F(F為施工方案中，加載預(yù)應(yīng)力的大小，即每片拱肋張拉21 000 kN)的預(yù)應(yīng)力，模擬吊裝施工過程，分析拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。

4.1 應(yīng)力結(jié)果

應(yīng)力結(jié)果選取拱肋上3個(gè)截面作為參考，分別是吊點(diǎn)處截面，L/4處截面和L/2處截面。幾種預(yù)應(yīng)力作用下的應(yīng)力結(jié)果見圖6。

圖6 拱肋截面應(yīng)力

由截面應(yīng)力結(jié)果可見：預(yù)應(yīng)力的大小對拱頂處和L/4處的應(yīng)力影響較??；但是對吊點(diǎn)處截面的應(yīng)力影響較大，吊點(diǎn)處截面的應(yīng)力先減小后增大，在1.0F時(shí)取最小值；預(yù)應(yīng)力值在取0.8F～1.2F區(qū)間時(shí)，拱肋截面的應(yīng)力水平較低。

4.2 位移結(jié)果

位移結(jié)果分為豎直方向和水平順橋向的兩個(gè)位移，豎直方向最大位移差值(拱頂位移減拱腳位移，以拱肋上拱方向?yàn)檎?見圖7，水平順橋向最大位移差值(兩拱腳位移差值，以兩拱腳相向運(yùn)動趨勢為正)見圖8。

圖7 豎向最大位移差值

圖8 順橋向最大位移差值

由拱肋最大位移差值結(jié)果可見：隨著預(yù)應(yīng)力的增大，豎向最大位移差值隨之增大，即拱肋結(jié)構(gòu)先下?lián)虾笊瞎?；順橋向的最大位移差值隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大，即拱肋的兩拱腳先呈現(xiàn)張開趨勢，后呈現(xiàn)向跨中合攏趨勢；兩個(gè)方向的位移都在0.8F～1.0F區(qū)間時(shí)接近0。

5 結(jié)論

本文通過有限元數(shù)值計(jì)算的研究方法，分析了鋼箱拱橋在整體吊裝施工過程中拱肋的應(yīng)力及變形規(guī)律。分析結(jié)果表明：

(1)拱橋整體吊裝過程中，各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力和位移能夠滿足吊裝施工的安全要求。

(2)拱橋整體吊裝過程中，設(shè)置水平預(yù)應(yīng)索能夠明顯的減小拱肋結(jié)構(gòu)的變形。

(3)水平預(yù)應(yīng)力索的大小能夠影響拱肋結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。該橋施工中，預(yù)應(yīng)力大小宜采用0.8F～1.0F區(qū)間的數(shù)值。施工方案設(shè)計(jì)時(shí)，建議選取合適的預(yù)應(yīng)力，提高施工安全系數(shù)，并使拱肋結(jié)構(gòu)接近理想線形。

(4)大跨度鋼箱拱橋采用整體吊裝的施工方法時(shí)，拱肋結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能好，結(jié)構(gòu)的撓度能控制在較小的水平，能較好的滿足橋梁施工過程中線形控制和安全施工的要求。計(jì)算分析結(jié)果可為大跨度鋼箱拱橋施工提供參考。