韋建昌 秦大燕 杜海龍

摘要：平南三橋為主跨575m的中承式鋼管混凝土拱橋，其管徑大、吊重大、吊裝節(jié)段數(shù)多，如果采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，會導(dǎo)致施工過程中線形和各扣索索力均勻性較差。為確定合理的封拱腳時機，確保施工安全，文章采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計算方法，從施工線形、扣索索力均勻性和拱圈應(yīng)力等幾個方面對三種封拱腳方案（單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳、單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳、單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳）進行對比研究。研究結(jié)果表明，單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳方案的施工線形、各扣索索力均勻性和拱圈應(yīng)力等均較好，為最佳施工方案?；诖?，對第六段封拱腳施工方式下拱圈實測線形和目標(biāo)線形進行比較，進一步驗證了施工方式的合理性。

關(guān)鍵詞：拱橋;平南三橋;封拱腳方案;過程最優(yōu)，結(jié)果可控;線形

0 引言

平南三橋為主跨575m的中承式鋼管混凝土拱橋，其管徑大、吊重大、吊裝節(jié)段數(shù)多，如果采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，會導(dǎo)致施工過程中線形和各扣索索力均勻性較差。為確定合理的封拱腳時機，確保施工安全，本文采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計算方法，從施工線形、扣索索力均勻性和拱圈應(yīng)力等幾個方面對以下三種封拱腳方案進行了對比研究：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。

1 項目概況

平南三橋為跨徑575m的中承式CFST拱橋，矢跨比為0.25，拱軸線采用m=1.5倒懸鏈線。拱肋為變截面四肢桁架結(jié)構(gòu)，每片拱肋分為22個節(jié)段吊裝，總扣掛重量為9000t，最大節(jié)段吊裝重量為220t，采用纜索吊運斜拉扣掛技術(shù)施工，采用每片拱肋連續(xù)吊裝兩節(jié)段橫移一次的吊裝方案[1-2]，如圖1所示。

整個吊裝過程中采用對稱吊裝施工，吊裝順序如圖2所示。對于大跨徑拱橋而言，由于拱肋節(jié)段數(shù)多，采用吊裝完所有拱肋節(jié)段再封拱腳的施工方式，即“先合龍，再封拱腳”，會使施工過程中的拱肋線形控制難度大，施工安全性較差?；诖?，需選擇合理的拱圈封腳方案，本文主要討論三種不同封拱腳方案：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。選出最優(yōu)方案以確保施工安全。

2 主拱圈施工控制

2.1 建模參數(shù)和荷載工況取值

采用大型有限元軟件MidasCivil建模，拱肋節(jié)段和扣索分別采用梁單元和桁架單元建模，扣索采用1860MPa15.2mm高強度低松弛鋼絞線，彈性模量E=1.95×108kN/m2，其余各幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及扣索長度的等效處理見文獻[2]。MidasCivil軟件建模中拱肋鋼材容重取為83.22kN/m3，經(jīng)計算，平南三橋主拱鋼材換算容重為1.06。各拱肋節(jié)段質(zhì)量統(tǒng)計如表1所示。

2.2 計算方法

現(xiàn)有鋼管混凝土拱橋施工控制方法主要有零彎矩法[3]、迭代法[4-5]、無應(yīng)力長度法[6-7]和基于影響矩陣原理的優(yōu)化算法[8-9]等。零彎矩法視拱肋各節(jié)段的連接為腳接，基于力矩平衡原理計算各扣索索力。該方法計算原理簡潔、高效，但忽略了吊裝的切線拼裝位移，且計算得到的扣索力有時會出現(xiàn)負值，導(dǎo)致扣索力計算失真。李傳夫、李術(shù)才等[5]以湖北某計算跨徑為430m的鋼管混凝土拱橋為工程背景，將最優(yōu)化計算理論引入正裝迭代法中，以此計算拱圈施工各扣索索力。徐岳、申成岳等[4]基于影響矩陣原理和正裝迭代計算理論，提出了改進迭代法，并將該計算理論應(yīng)用于跨徑為248m的鋼管混凝土拱橋中，較傳統(tǒng)正裝法提高了計算效率。李開心、龔清盛等[7]將無應(yīng)力長度計算理論推廣應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的斜拉扣掛施工，并取得較好的計算效果。由于傳統(tǒng)的施工控制計算方法僅控制合龍松索后的線形，忽略了拱圈安裝施工過程中的線形和索力均勻性等問題。韓玉、秦大燕等[8]基于影響矩陣原理和最優(yōu)化計算理論，以合龍松索后線形為約束條件、各吊裝施工階段線形為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立拱圈一次張拉施工優(yōu)化計算方法。該方法應(yīng)用于跨徑320m的鋼管混凝土拱橋——馬灘紅水河特大橋的施工控制，通過與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了該計算方法具有良好的計算精度[8][10]。流程圖詳見圖3。

3 傳統(tǒng)封拱腳方案

傳統(tǒng)鋼管混凝土拱橋施工多采用“先合龍，后封拱腳”的施工方案，對于小跨徑拱橋而言，具有較好的適應(yīng)性，而對于吊重大、拱肋節(jié)段數(shù)多的大跨徑拱橋，施工線形控制難，施工風(fēng)險較大?；诖?，本文以平南三橋為工程背景，采用文獻[8]提出的一次張拉施工優(yōu)化計算方法，對“先合龍，再封拱腳”的施工方案開展研究。

3.1 拱圈線形

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，拱圈上游（A）和下游（B）以及南北兩岸索力和各控制點線形差別小，因而取南岸下游計算分析。取合龍松索后線形偏差為30mm，施工過程中各控制點線形偏差如圖4所示。從圖4可以看出，采用“先合龍，再封拱腳”的施工方式，施工過程中各控制點線形與目標(biāo)線形偏差達到382mm，施工風(fēng)險大。

3.2 各扣索索力均勻性

進一步地，對拱圈施工過程中，各扣索均勻性進行計算，計算結(jié)果見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，拱圈施工過程中，各扣索索力變化較大，最大變化值達到300kN（4#扣索力），導(dǎo)致施工風(fēng)險較大。

4 不同封拱腳方案對比分析

由以上分析可知，采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，將導(dǎo)致施工過程中的線形和各扣索索力均勻性較差，施工風(fēng)險較大。因此，需選擇合理的封拱腳時機?；诖?，對以下三種封拱腳方案進行

建模計算，分析各扣索索力均勻性、施工線形和拱圈應(yīng)力等情況：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。

4.1 各扣索索力對比分析

（1）各扣索索力均勻性

由圖7（a）可知，各封拱腳方案相鄰兩扣索索力均在100kN以內(nèi)波動，各扣索索力變化平緩，均勻性較好。

（2）最大扣索力及配索（見表2）

由圖7（b）可知，在整個吊裝施工過程中，第六段封拱腳和第八段封拱腳相鄰兩索力均變化在200kN范圍內(nèi)，索力均勻性好。采用第四段封拱腳方案，第5號扣索和第6號扣索相差327kN，存在較大波動性。表2進一步表明，采用第四段封拱腳方案所需扣索數(shù)量略高于其他兩種封拱腳方案。

4.2 線形對比分析

[JZ][XCLL68.EPS;P][TS（][HT9.H][JZ]圖8 各控制點與目標(biāo)線形偏差圖（mm）[TS）]

由圖8可知，在整個吊裝施工過程中，三種封拱腳方案施工過程中線形與合龍松索后線形均合理。從線形精度考慮，第六段和第八段封拱腳方案的線形要優(yōu)于第四段封拱腳方案。

4.3 白噪音試驗

引入幅值為30mm的白噪音，進行了200次試驗分析，其試驗結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，采用第四段封拱腳方案，引入幅值30mm的白噪音，開展200次誤差實驗分析，在松索成拱后分別被放大成為44mm，具有一定的施工風(fēng)險。

5 結(jié)語

（1）三種封拱腳方案索力均勻性均較好，第六段封拱腳和第八段封拱腳方案各扣索配置數(shù)量相同，略低于第四段封拱腳方案的扣索數(shù)量。

（2）通過白噪音試驗研究表明，第六段封拱腳方案和第八段封拱腳，變化幅度均很小。第四段封拱腳方案引入幅值為30mm的白噪音，在松索成拱后分別被放大成為44mm，具有一定的施工風(fēng)險。

在整個吊裝施工過程中，第四段封拱腳方案的線形、索力均勻性以及經(jīng)濟性均不及第六段封拱腳方案和第八段封拱腳方案，第六段封拱腳方案和第八段封拱腳方案的扣索數(shù)量、索力均勻性、線形精度均很接近。由于提前封拱腳有助于提高后續(xù)施工過程中的安全性，因此，實際施工采用單片拱肋兩岸各吊裝六段后封拱腳。

參考文獻：

[1]韓 玉，杜海龍，秦大燕，等.平南三橋施工重難點及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)[J].公路，2019（10）：140-146.

[2]秦大燕，杜海龍，韓 玉，等.超大跨徑拱橋不同吊裝方案對比分析[J].公路，2019（12）：100-104.

[3]周水興，江禮忠，曾 忠，等.拱橋節(jié)段施工斜拉扣掛索力仿真計算研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，19（3）：8-12.

[4]徐 岳，申成岳，朱誼彪，等.確定拱橋斜拉扣掛施工扣索張力的改進迭代算法[J].橋梁建設(shè)，2016，46（2）：65-69.

[5]李傳夫，李術(shù)才，魏建軍，等.迭代優(yōu)化算法在大跨拱橋線形控制中的應(yīng)用[J].山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2008，38（3）：23-27.

[6]譚 俊.無應(yīng)力狀態(tài)控制法在橋梁施工控制中的應(yīng)用[J].公路，2016（4）：122-126.

[7]李開心，龔清盛，田維鋒，等.拱橋纜索吊裝施工的無應(yīng)力狀態(tài)控制法[J].中外公路，2012，32（6）：203-207.

[8]韓 玉，秦大燕，鄭 健.CFST拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計算方法[J].公路，2018（1）：100-104.

[9]崔鳳坤，朱誼彪.基于影響矩陣的鋼管混凝土系桿拱橋成橋吊桿內(nèi)力的優(yōu)化[J].中外公路，2015，35（6）：195-199.

[10]韓 玉，秦大燕，杜海龍.一次張拉優(yōu)化算法在大跨徑CFST拱橋線形控制中的應(yīng)用[C].中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會2019年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集，2019.

[11]GB50923-2013，鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].