摘要：為確保鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛施工中松索過程的安全、效率與精確性，文章以采用斜拉扣掛法施工的鋼管混凝土拱橋為背景，基于Midas Civil軟件構建了包括鋼管混凝土拱橋、鋼絞線扣索及側(cè)纜風的三維空間結(jié)構模型，模擬分析兩岸對稱逐級松索和兩岸對稱跨級松索這兩種松索順序?qū)皹蚪Y(jié)構性能的影響，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對兩種松索順序的影響規(guī)律進行分析。結(jié)果表明：當扣索松索達到索力峰值的50%時，兩種松索順序均存在較大過程變形和施工風險，而當扣索松索控制在10%～30%的索力時，其變形量可維持在安全閾值內(nèi)；相較于兩岸對稱逐級松索，兩岸對稱跨級松索在過程應力和線形偏差上均表現(xiàn)更佳，能更有效地保證施工安全與進度。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；松索順序；有限元分析；結(jié)構性能評估；拱圈線形

中圖分類號：U448.27" " " 文獻標識碼：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.027

文章編號：1673-4874（2024）-0086-03

0引言

在當今的鋼管混凝土拱橋工程實踐中，其創(chuàng)新施工控制技術的應用對于提高施工效率、確保結(jié)構安全性至關重要［1］。在采用斜拉扣掛技術施工時，松索過程的控制直接關系到橋梁的結(jié)構安全，不合理的松索順序和方式可能導致結(jié)構在施工階段出現(xiàn)不可預見的風險［2］。因此，深入研究和探索科學、合理的松索策略對其施工過程的質(zhì)量以及提升施工安全和效率具有重要意義。

在斜拉扣掛施工控制技術的研究領域，國內(nèi)外學者已開展了一系列的研究工作，取得了一系列成果。張建民等［3-4］基于南寧永和大橋和巫峽長江大橋等大跨度鋼管混凝土拱橋的案例，采取“結(jié)果最優(yōu)，過程可控”的線形控制理念，通過控制施工過程中的關鍵變量，實現(xiàn)對吊裝施工階段中扣索力的精確計算。朱連偉和秦大燕等［5-6］采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”的線形控制策略，結(jié)合力矩平衡法與影響矩陣法的原理，優(yōu)化了索力配置。該方法有效地優(yōu)化了施工過程中索力及線形的均勻性，從而提高了結(jié)構的穩(wěn)定性和施工的精確性。需要說明的是，現(xiàn)有的研究主要集中在拱肋吊裝過程扣索張拉時的索力優(yōu)化，而對松索過程順序優(yōu)化方法研究較少。有研究表明［7］，扣索拆除順序和方法會引起差異化的索力變化，進而導致拱圈的位移和變形發(fā)生變化甚至超限，影響拱橋的安全，這也是保證施工過程中和松索后拱圈線形高精度閉環(huán)的關鍵所在。因此，有必要進一步研究差異化松索情況對拱圈的位移和變形的影響規(guī)律。

本文結(jié)合實際工程需求，通過構建包含鋼管混凝土拱橋、鋼絞線扣索及內(nèi)外側(cè)纜風的三維空間結(jié)構模型，利用Midas Civil軟件進行模擬，以此為基礎分析不同松索順序?qū)皹蚪Y(jié)構性能的具體影響；結(jié)合有限元分析結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對松索過程中的關鍵影響參數(shù)進行詳細的分析和評估，旨在找出最優(yōu)的松索策略，以期達到施工過程的最大化效率和結(jié)構安全性的最優(yōu)化。

1工程背景及有限元模型

1.1工程背景

某鋼管混凝土拱橋工程特點如下：該橋為跨度320 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，標準寬度為29.9 m；主拱結(jié)構采用鋼管混凝土桁式設計，矢高達71 m，矢跨比為1/4.51；拱軸線設計為懸鏈線形，拱軸系數(shù)為1.35；橋梁包含兩片拱肋，均為鋼管混凝土桁架式結(jié)構，拱鉸間的橫橋向中心距離為22.4 m。整體橋型的布置詳見圖1。

該橋采用纜索吊裝斜拉扣掛技術。每個拱肋被劃分為14個節(jié)段，依次按照拱圈扣點位置進行吊裝。其中，項目跨度達425 m，北岸邊跨為300 m，南岸邊跨為320 m。施工采用了主扣合一的塔架結(jié)構，且在塔底部進行了固結(jié)處理，以增強結(jié)構穩(wěn)定性。

1.2有限元建模

在本文研究中，利用Midas Civil軟件構建三維有限元模型，該模型包括鋼管混凝土拱橋、鋼絞線扣索及纜風。其中，扣索及纜風使用桁架元素進行表示，其他結(jié)構則通過空間梁元素表現(xiàn)。模型涵蓋了2 520個節(jié)點、112個桁架單元和3 956個梁單元，見圖2。建模過程中，根據(jù)拱肋吊裝的具體序列，分階段構建了施工過程的模擬布局。主拱圈封閉階段前后，模擬采用鉸接和固定端條件以反映施工中的結(jié)構狀態(tài)，扣索和纜風與拱肋的連接則通過剛性方式實現(xiàn)。需要注意的是，扣索的初次張拉力應采用基于影響矩陣理念的“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”的優(yōu)化策略［8］進行設定。該方法通過計算由拱圈自重及各扣索力引起的位移影響矩陣，隨后建立一個基于最小化施工過程中控制點的位移與預定線形之間的偏差的優(yōu)化目標函數(shù)。此外，使用合龍后拱圈的實際線形與目標線形之間的偏差作為約束條件，通過解決此優(yōu)化問題，可以確定施工過程中各扣索的初始張拉力。

為了全面模擬主拱圈的施工流程，建模工作將北岸的拱肋定義為A拱，南岸的拱肋定義為B拱，并依照施工方案的順序進行。需要說明的是，分別基于兩種松索順序進行，其中第一種為兩岸對稱逐級松索，即松索順序按A/B7、A/B6、A/B5、A/B4、A/B3、A/B2、A/B1、拆除纜風順序逐級松索；第二種為兩岸對稱跨級松索，即松索順序先按A/B7、A/B5、A/B3、A/B1，再按A/B6、A/B4、A/B2、拆除纜風松索順序進行。以上兩種松索順序均統(tǒng)一按當前扣索索力峰值的10%、30%和50%進行。

2有限元結(jié)果分析

2.1過程變形分析

當采用兩種不同松索順序，對比各拱肋節(jié)段最大線形變形量，以南岸上游結(jié)果進行對比分析，如表1所示。由表1可知，當采用兩岸對稱逐級松索，松索值分別按峰值10%、30%和50%進行時，過程節(jié)段拱肋單次最大變形量分別為36 mm、112 mm和280 mm，且當按峰值50%松索時，拱1#～7#變形量分別為68 mm、113 mm、147 mm、174 mm、215 mm、252 mm和280 mm。同理，當采用兩岸對稱跨級松索時，松索值分別按峰值10%、30%和50%進行時，過程節(jié)段拱肋單次最大變形量分別為28 mm、94 mm和221 mm，且當按峰值50%松索時，拱1#～拱7#變形量分別為43 mm、65 mm、91 mm、110 mm、133 mm、184 mm和221 mm。由此可見，相較于兩岸對稱逐級松索，兩岸對稱跨級松索由于前后兩次松索間仍存在強受拉索充當“紐帶”作用，單次松索變形量均小于前者，說明兩岸對稱跨級松索的位移變化相對較小，安全性也得到保證。

綜上所述可知，當扣索松索達到索力峰值的50%時，無論采用何種松索順序，均會產(chǎn)生較為危險的單次變形量，往往容易導致鋼管產(chǎn)生不均勻變形，從而影響結(jié)構成橋安全狀態(tài)；當扣索松索值介于10%～30%時，單次松索變形量均在安全合理范圍內(nèi)。需要說明的是，當扣索松索為索力峰值10%時，以該工程為例，全橋扣索總數(shù)為146根，則松索次數(shù)高達1 460次，對現(xiàn)場操作操作人員工作量要求較大，且不利于降低施工成本。鑒于此，現(xiàn)場實際松索時，可根據(jù)實際情況在10%～30%間選擇合理的松索峰值。

2.2過程應力分析

由上述分析可知，在松索取10%～30%的索力峰值情況下，線形變形均滿足要求。進一步通過應力視角分析松索過程拱圈應力變化情況，以松索30%的索力峰值作為對比，對比結(jié)果如表2所示。由表2可知，當采用兩岸對稱逐級松索時，拱圈應力峰值較大。相較于前者，當采用兩岸對稱跨級松索時，拱圈應力普遍相對較小，在整個扣索拆除過程中，拱圈應力均不超過鋼管自身的允許控制值355 MPa。由此可見，[P]在過程應力視角中，兩種松索順序均較好滿足施工安全要求。需要說明的是，若對應力把控較為嚴格的情況下，仍優(yōu)先選擇兩岸對稱跨級松索順序。

3目標線形結(jié)果分析

同樣根據(jù)南岸上游現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對兩種松索順序的松索線形與目標線形進行對比，對比結(jié)果如圖3所示。由圖3a）可知，兩種松索順序的豎向松索線形的規(guī)律基本吻合。此外，當采用兩岸對稱逐級松索時，3#、4#和7#節(jié)段的松索線形相差較大，與前者相比，采用兩岸對稱跨級松索更為接近目標線形。其中，兩岸對稱逐級松索和兩岸對稱跨級松索的松索線形與目標線形的最大偏差值分別為19.62 mm和10.75 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的控制值50.00 mm［9］。由此可見，與兩岸對稱逐級松索相比，兩岸對稱跨級松索對豎向松索的線形效果較好。

由圖3b）可知，兩種松索順序下的橫向線形偏差均較小。其中，采用兩岸對稱逐級松索的橫向線形偏差均＜5 mm，且采用兩岸對稱跨級松索的橫向線形偏差均＜4 mm，說明不同松索順序?qū)M向線形偏差無顯著影響。

4結(jié)語

本文通過鋼管混凝土拱橋的三維空間結(jié)構模型以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，旨在評估不同松索順序?qū)皹蚪Y(jié)構性能的影響，并通過對比分析選出最優(yōu)松索方案。得出結(jié)論如下：

1）當扣索松索達到索力峰值的50%時，兩岸對稱逐級松索和兩岸對稱跨級松索均會產(chǎn)生較為危險的單次過程變形量，而當扣索松索介于10%～30%時，單次松索過程變形量均在安全合理范圍內(nèi)。

2）兩岸對稱逐級松索和兩岸對稱跨級松索的豎向線形偏差分別為19.62 mm和10.75 mm，橫向線形偏差分別為5 mm和4 mm，說明松索順序?qū)ωQ向線形影響較大，而對橫向線形影響不明顯。

3）與兩岸對稱逐級松索相比，在保持松索值不變的情況下，兩岸對稱跨級松索的松索過程應力和目標線形偏差均較小。說明在保證施工進度的同時，兩岸對稱跨級松索順序更有利于保障施工安全。

參考文獻：

［1］嚴勝杰. 大跨度鋼管混凝土提籃拱橋拱肋關鍵施工技術. 西部交通科技，202311）：165-167.

［2］肖廣生，王志金，游星，等. 大跨鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛體系拆除優(yōu)化方法研究. 公路，2023，6810）：31-34.

［3］張建民，鄭皆連，秦榮. 大跨度鋼管混凝土拱橋吊裝過程的優(yōu)化計算方法. 橋梁建設，20021）：52-54，58.

［4］張建民，鄭皆連，肖汝誠. 鋼管混凝土拱橋吊裝過程的最優(yōu)化計算分析. 中國公路學報，20052）：40-44.

［5］朱連偉，鄧年春，于孟生，等. 600 m 級拱橋斜拉扣掛施工扣索索力的正裝迭代優(yōu)化算法. 鐵道建筑，2020，6012）：18-21.

［6］秦大燕，鄭皆連，杜海龍，等. 斜拉扣掛 1 次張拉扣索索力優(yōu)化計算方法及應用. 中國鐵道科學，2020，416）：52-60.

［7］李傳夫，李術才，于英梅. 某鋼管混凝土拱橋斜拉扣掛系統(tǒng)拆扣方案研究. 公路，20099）：233-237.

［8］黎繼國，秦大燕，唐?？?，等. 金釵紅水河特大橋拱肋安裝施工控制分析. 西部交通科技，20227）：97-100，108.

［9］T 071-1998，公路工程質(zhì)量檢驗評定標準［S］.

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃“特大跨勁性骨架混凝土拱橋建造關鍵技術”編號：桂科AB22036007）

作者簡介：李貴漢1990—），工程師，主要從事大跨橋梁施工技術研發(fā)與管理工作。

收稿日期：2024-05-18