關(guān)敬文

摘要：主拱圈的線形控制質(zhì)量直接影響著成橋后全橋的受力，又因其吊裝施工過程是全橋建設(shè)當(dāng)中最為關(guān)鍵和復(fù)雜的工序，而扣索張拉過程又是調(diào)節(jié)主拱圈線型的重要施工步驟。因此，研究吊裝施工過程中扣索張拉環(huán)節(jié)有著重要意義。針對該施工過程，文章提出主拱圈關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)扣索張拉過程縱橋向與豎橋向位移變化的理論表達(dá)式，通過Midas軟件建立羅文大橋的全橋有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，提取計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果作對比。結(jié)果表明：理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬計(jì)算結(jié)果吻合度較高;羅文大橋主拱圈拱段張拉方案安全、可靠，在整個過程中各控制點(diǎn)縱向、豎向最大位移分別達(dá)到-14.6mm和32.6mm，有較大安全富余;后續(xù)拱肋節(jié)段的安裝精度受之前安裝的影響，并在施工過程中主拱圈線形變化遵循疊加效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：鋼箱拱橋;疊加效應(yīng);有限元模擬;纜索吊裝;線形控制

中圖分類號：U448.223 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：1O.13282/j.cnki.wccst.2019.07.022

文章編號：1673-4874（2019）07-0068-04

0引言

鋼箱拱橋具有剛度較大、延性較高以及穩(wěn)定性較好等諸多優(yōu)勢，因而在我國有著較大的發(fā)展空間及潛力。尤其是近年來纜索吊裝施工方法的普及，使得該類橋型有了更進(jìn)一步的應(yīng)用空間。其主要受力的拱肋構(gòu)件更是學(xué)者們所研究的重點(diǎn)對象，因此，國內(nèi)學(xué)者圍繞其施工過程展開了一系列研究：狄生奎以某黃河大橋作為例子，提出吊裝過程中每節(jié)拱段預(yù)抬量的理論計(jì)算公式。駱中林則以瀏陽河大橋作為工程依托，重點(diǎn)探討了拱肋溫度與垂度效應(yīng)的影響，并與實(shí)測數(shù)據(jù)對比得出相關(guān)結(jié)論。宋暉則以菜園壩長江大橋作為工程背景，研究該橋主拱圈拱節(jié)段運(yùn)輸?shù)跹b的可行性，為后續(xù)同類橋的施工提供參考借鑒。

以上學(xué)者及研究人員皆對鋼箱拱橋的研究作出巨大貢獻(xiàn)，本文在借鑒前人研究的同時，以南寧羅文大橋?yàn)槔?，首先提出拱箱?jié)段在扣索張拉過程中關(guān)鍵控制點(diǎn)變形的公式，而后利用Midas Civil軟件建立該橋主拱圈模型，計(jì)算驗(yàn)證所提出的公式，并提取主拱圈關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)位移，從而揭示鋼箱拱在其過程中的線型變化規(guī)律。

1工程概況

羅文大橋?yàn)橐蛔w燕式鋼箱拱橋，其主拱圈計(jì)算跨徑為180m，計(jì)算矢高為50m，矢跨比為1/3.462，主拱拱軸線采用二次拋物線，鋼箱拱肋采用等寬變高的單箱單室截面形式，截面寬度為2.5m。自拱腳向拱頂，拱箱截面高度由3.96m漸變至2.70m，鋼箱拱頂板、底板均采用24m厚度鋼板，腹板厚度取20mm。

2吊裝方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件與施工的便利性，首先在兩岸架設(shè)索塔，通過纜索吊裝法將鋼箱拱肋分節(jié)段吊裝至預(yù)設(shè)位置，當(dāng)一段安裝完畢后張拉扣索，使該拱段獲得一定預(yù)抬量后再進(jìn)行下一段的吊裝。主橋共兩跨主拱，每片拱肋共分為9個鋼箱節(jié)段，節(jié)段劃分見圖1。其中最長吊裝節(jié)段為主拱3，質(zhì)量約為57.6t，長21.005m;最短吊裝節(jié)段為主拱5，質(zhì)量約為17.3t，長7.327m?？刂泣c(diǎn)布置于各斜拉索扣點(diǎn)附近，單片拱肋共計(jì)9個控制點(diǎn)，本次選取其中3個控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。吊裝節(jié)段劃分及控制點(diǎn)布置如圖1所示。

3理論公式的提出

將各段鋼箱拱簡化為直線進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算示意圖如圖2所示。當(dāng)前拱段控制點(diǎn)的位移是由扣索索力與自重所引起的位移共同疊加而得。

根據(jù)材料力學(xué)懸臂梁撓度計(jì)算公式可得以下公式，計(jì)算第i拱段控制點(diǎn)在集中力作用下縱向及豎向位移：

4有限元模型及計(jì)算結(jié)果

4.1模型介紹

為探究吊裝施工過程中主拱圈關(guān)鍵截面的控制指標(biāo)變化情況，本文通過數(shù)值分析軟件Midas Civil建立羅文大橋有限元計(jì)算模型，整個模型共計(jì)20836個單元。其中包括拱肋單元、桁架單元、梁單元三種形式。其中拱肋采用空間梁單元模擬，其截面參數(shù)根據(jù)實(shí)際拱肋截面特征而定，并將其余附屬部分的質(zhì)量分別計(jì)入相關(guān)拱肋單元中;由于索塔桿件與分配梁受力特性的不同，以桁架單元模擬索塔桿件，以梁單元模擬塔頂分配量，模型中較為完整地建立了吊、扣塔的模型，基本未進(jìn)行簡化;系桿與吊桿皆采用桁架單元模擬，并已將初始拉應(yīng)力施加于單元上。有限元模型圖如圖3所示。

模型邊界條件形式主要為：（1）橋面主梁梁端采取全約束的形式;（2）P10、P11以及P12三座橋墩底部采用全約束;（3）斜拉索錨定端采用節(jié)點(diǎn)全約束。全橋考慮自重，施工過程的荷載主要為各錨索和臨時索索力，各施工階段索力大小按表2施加，其余未列舉出的索力與已有索力相近，故在此省略。

4.2鋼箱拱肋各控制點(diǎn)線形計(jì)算結(jié)果

通過模型計(jì)算可得：P10～P11墩間上游拱肋安裝過程中主要施工階段控制點(diǎn)縱向、豎向位移分別見表3;P11～p12墩間上游拱肋安裝過程中主要施工階段控制點(diǎn)縱向、豎向位移規(guī)律皆與P10～P11墩相同;下游拱肋位移基本與此相同，皆不再贅述。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）表15.4.11可知，主拱圈安裝軸線偏位≤L/6000且≤40mm，拱圈高程安裝誤差控制在±L/30001且≤50mm。由以上數(shù)據(jù)可知，整個施工過程線形偏移皆滿足規(guī)范要求。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)：扣索張拉過程中，各控制截面關(guān)鍵點(diǎn)的位移隨施工過程的進(jìn)行呈現(xiàn)疊加的趨勢，即當(dāng)前段吊裝的位移會累積至其后的工序當(dāng)中，故同一關(guān)鍵點(diǎn)的豎向、縱向位移不斷增加。同時，出于拱肋吊裝對線形影響的原因，在每節(jié)段吊裝安裝過程中，由于之前施工階段與索塔位移偏移量的積累，使得已安裝完成的節(jié)段出現(xiàn)較大位移。因此，需在前一階段通過增大扣錨索張拉力預(yù)抬一定量，當(dāng)下節(jié)段吊裝完成后能回到設(shè)計(jì)位置。此外，由于主拱圈左右半拱并非完全對稱，且靠近P10的吊裝節(jié)段質(zhì)量大于靠近p11的吊裝節(jié)段，所以前者位移偏移量與施工預(yù)抬量皆大于后者。

由表4和圖4～5可知，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，控制點(diǎn)縱向、豎向的位移結(jié)果皆相近。

5結(jié)語

本文以南寧羅文大橋?yàn)槔?，提出吊裝過程中主拱圈關(guān)鍵點(diǎn)的線形變化公式，而后建立有限元分析模型，通過選取P11墩上拱段進(jìn)行計(jì)算，對比發(fā)現(xiàn)理論推導(dǎo)公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果二者較為吻合，同時，羅文大橋主拱圈扣索張拉施工過程安全可行。在整個施工過程中各控制點(diǎn)縱向、豎向最大位移分別達(dá)到-14.6mm和32.6mm，皆出現(xiàn)于張拉尸11墩上游主拱4段扣索工況。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》主拱圈安裝軸線偏位≤L/6000且≤40mm、拱圈高程安裝誤差控制在±L/3000且≤50mm的要求，可知施工過程安全且有較大富余。此外，施工過程中各拱段線形偏移遵循疊加效應(yīng)。根據(jù)理論計(jì)算公式以及數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，當(dāng)前安裝拱段的縱向、豎向位移是由本段的偏移量與之前拱段的偏移量累加而得。因此在施工控制時，為避免后續(xù)拱段誤差過大，需要注意對前幾段拱肋安裝誤差的控制。