懸臂拼裝斜拉橋安裝線形與制造線形的區(qū)別和聯(lián)系

周 瀟

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550081)

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懸臂拼裝斜拉橋安裝線形與制造線形的區(qū)別和聯(lián)系

周 瀟

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550081)

斜拉橋懸臂拼裝時(shí)涉及到設(shè)計(jì)線形、安裝線形和制造線形的概念。闡述斜拉橋懸臂拼裝時(shí)其安裝線形和制造線形的區(qū)別和聯(lián)系，并以一段較簡(jiǎn)單的懸臂梁為例，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算對(duì)其安裝線形和制造線形的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)行驗(yàn)證。

斜拉橋；懸臂拼裝；制造線形；安裝線形

斜拉橋采用懸臂拼裝方法施工時(shí)，其主梁線形常常涉及到設(shè)計(jì)線形、安裝線形和制造線形等概念。設(shè)計(jì)線形主要指主梁的理論成橋線形，即理論上主梁在成橋狀態(tài)時(shí)的線形；安裝線形主要指斜拉橋懸臂拼裝過(guò)程中新建節(jié)段自由端連接形成的線形；制造線形主要指節(jié)段在工廠制作時(shí)的線形。斜拉橋懸臂拼裝施工監(jiān)控的目的之一就是使主梁的實(shí)際成橋線形盡可能與設(shè)計(jì)線形相吻合，而這就必然涉及施工中如何確定斜拉橋各節(jié)段的安裝位置，如何在工廠制造節(jié)段等問(wèn)題，即確定斜拉橋安裝線形和制造線形的標(biāo)高[1-3]。

目前，斜拉橋懸臂拼裝施工時(shí)，其梁段的安裝方法一般為切線安裝法[4]。切線安裝法指懸臂拼裝施工過(guò)程中斜拉橋新增節(jié)段沿前一節(jié)段自由端的切線方向安裝。其原理是將所有節(jié)段均按無(wú)應(yīng)力狀態(tài)安裝，不計(jì)節(jié)段重量，節(jié)段按剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。施工中，實(shí)際梁段安裝時(shí)，再加載梁段重量。

本文首先從概念上闡述斜拉橋懸臂拼裝時(shí)其安裝線形和制造線形的區(qū)別和聯(lián)系，然后以一段較簡(jiǎn)單的懸臂梁為例，運(yùn)用切線安裝法計(jì)算梁段的安裝線形與制造線形，并通過(guò)數(shù)值驗(yàn)證二者的區(qū)別和聯(lián)系。

1 安裝線形與制造線形的區(qū)別和聯(lián)系

斜拉橋主梁節(jié)段的安裝線形和制造線形是完全不同的2個(gè)概念。從二者的定義看，制造線形是主梁節(jié)段在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的線形，計(jì)算時(shí)各主梁節(jié)段均以無(wú)應(yīng)力構(gòu)形為初始狀態(tài)。但在實(shí)際懸臂拼裝過(guò)程中，新增主梁節(jié)段的安裝是在前面已安裝主梁節(jié)段均參與受力，即有應(yīng)力狀態(tài)下完成的，故二者存在本質(zhì)上的區(qū)別。

雖然斜拉橋主梁節(jié)段的安裝線形和制造線形本質(zhì)上不同，但二者相互又有聯(lián)系，安裝線形需通過(guò)制造線形來(lái)實(shí)現(xiàn)。主梁節(jié)段在工廠按照制造線形加工完成，在斜拉橋懸臂拼裝施工時(shí)，新增梁段安裝后其自由端即能達(dá)到安裝線形標(biāo)高。

目前實(shí)際工程中，仍有部分設(shè)計(jì)人員將二者混淆，其往往將安裝線形作為制造線形，從而會(huì)導(dǎo)致極大的誤差。斜拉橋安裝線形與制造線形在數(shù)值上完全相同的情況只有采用滿布支架施工時(shí)才存在，因?yàn)樵谥Ъ苌细髁憾尉幱跓o(wú)應(yīng)力狀態(tài)[6]。

2 安裝線形與制造線形計(jì)算

本文以一段鋼懸臂梁為例，對(duì)斜拉橋梁段制造線形與安裝線形的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。該段懸臂梁計(jì)算模型如圖1所示。該模型共劃分為2個(gè)梁段，即鋼梁1和鋼梁2。每個(gè)梁段長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，梁段節(jié)點(diǎn)分別以(0)、(1)、(2)表示。梁段施工采用懸臂拼裝方式，并采用吊車吊裝。

為了更為直觀地表述斜拉橋懸臂拼裝時(shí)的安裝線形與制造線形，本文作如下假定：1) 計(jì)算以線彈性理論為基礎(chǔ)，疊加原理適用[7-8]。2) 每段鋼梁長(zhǎng)度、自重均相同。3) 各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)線形的標(biāo)高均為0，即(0)、(1)、(2)處設(shè)計(jì)線形標(biāo)高均為0。4) 吊車重量不計(jì)。

圖1 懸臂梁計(jì)算模型

2.1 制造線形計(jì)算

根據(jù)切線安裝法的原理，本文將斜拉橋懸臂梁計(jì)算模型分為以下5個(gè)施工階段：1) 以無(wú)應(yīng)力狀態(tài)安裝2段鋼梁；2) 安裝鋼梁1；3) 吊裝鋼梁2；4) 安裝鋼梁2；5) 施加2期荷載。

斜拉橋懸臂梁制造線形計(jì)算以設(shè)計(jì)線形為初始狀態(tài)時(shí)，斜拉橋懸臂梁節(jié)點(diǎn)在各施工階段產(chǎn)生的位移如圖2所示。

施工階段1：2段鋼梁均處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)均無(wú)位移發(fā)生，如圖2(a)所示。

施工階段2：安裝鋼梁1。鋼梁1由于自重下?lián)?，在?jié)點(diǎn)1處發(fā)生位移；鋼梁2未安裝，仍處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，并沿節(jié)點(diǎn)(1)處切線發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2(b)所示。

施工階段3：吊車在節(jié)點(diǎn)(1)處吊起鋼梁2。此時(shí)吊車上鋼梁2的自重對(duì)鋼梁1產(chǎn)生豎向力N和彎矩M，致使節(jié)點(diǎn)(1)繼續(xù)下?lián)?；鋼?由于還未安裝，仍為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，故其繼續(xù)進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2(c)所示。

施工階段4：安裝鋼梁2。鋼梁2由于自重下?lián)?，在?jié)點(diǎn)(1)、(2)處產(chǎn)生位移，如圖2(d)所示。

需注意的是，從施工階段3到施工階段4，節(jié)點(diǎn)(1)均存在鋼梁2的自重加載，因此h13=h14。

施工階段5：施加2期荷載。鋼梁1、2繼續(xù)下?lián)?，在?jié)點(diǎn)(1)、(2)處產(chǎn)生位移，如圖2(e)所示。

圖2 斜拉橋懸臂梁節(jié)點(diǎn)在各施工階段的位移

懸臂梁節(jié)點(diǎn)在各施工階段產(chǎn)生的位移增值如公式(1)～(8)所示。

施工階段1～2，懸臂梁模型各節(jié)點(diǎn)的位移增值如下：

Δh112=h12-0

(1)

Δh212=h22w-0

(2)

式中：Δh112為節(jié)點(diǎn)(1) 處鋼梁1自重產(chǎn)生的下?lián)现?；Δh212為節(jié)點(diǎn)(2)因節(jié)點(diǎn)(1)處產(chǎn)生下?lián)现率逛摿?進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的下?lián)现怠?/p>

施工階段2～3，懸臂梁模型各節(jié)點(diǎn)的位移增值如下：

Δh123=h13-h12

(3)

Δh223=h23w-h22w

(4)

式中：Δh123為吊裝鋼梁2時(shí)其自重致使節(jié)點(diǎn)(1) 處鋼梁1產(chǎn)生的下?lián)现?；Δh223為節(jié)點(diǎn)(2)因節(jié)點(diǎn)(1)處產(chǎn)生下?lián)现率逛摿?進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的下?lián)现怠?/p>

施工階段3～4，懸臂梁模型各節(jié)點(diǎn)的位移增值如下：

Δh134=h14-h13

(5)

Δh234=h24-h23w

根據(jù)鋼材應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理［1］，可將其分為氫致開裂型（HE）和陽(yáng)極溶解型（AD）兩大類。如果陽(yáng)極溶解即鋼材的腐蝕對(duì)應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過(guò)程，且釋放出的氫原子分散到鋼材中并對(duì)鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展起決定作用，這種應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕；如果鋼材的腐蝕對(duì)應(yīng)的陰極反應(yīng)是析氫過(guò)程，但是釋放出的的氫原子太少，不足以引起鋼材的氫致開裂，鋼材裂紋的形成與擴(kuò)展都是由陽(yáng)極溶解控制的，這種應(yīng)力腐蝕就稱為陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕。

(6)

式中：Δh134為安裝鋼梁2時(shí)其自重致使節(jié)點(diǎn)(1) 處產(chǎn)生的下?lián)现担沪234為節(jié)點(diǎn)(2)因鋼梁2自重產(chǎn)生的下?lián)现怠?/p>

施工階段4～5，懸臂梁模型各節(jié)點(diǎn)的位移增值如下：

Δh145=h15-h14

(7)

Δh245=h25-h24

(8)

式中：Δh145為節(jié)點(diǎn)(1)處承受2期荷載產(chǎn)生的下?lián)现?；Δh245為節(jié)點(diǎn)(2)處承受2期荷載產(chǎn)生的下?lián)现怠?/p>

懸臂梁模型施工完畢后，節(jié)點(diǎn)(1)和節(jié)點(diǎn)(2)處產(chǎn)生的位移分別為h15、h25，其反向數(shù)值即為各節(jié)點(diǎn)的制造線形標(biāo)高。

2.2 安裝線形計(jì)算

采用懸臂拼裝施工的斜拉橋其各梁段的制造線形可以通過(guò)以上方法計(jì)算得到。梁段按制造線形在工廠制作完成并運(yùn)至施工場(chǎng)地后，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行懸臂拼裝施工，新建梁段自由端連接形成的線形即為安裝線形。

施工階段1：2段鋼梁均處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)均無(wú)位移發(fā)生，如圖3(a)所示。

施工階段2：安裝鋼梁1。鋼梁1由于自重下?lián)?，在?jié)點(diǎn)(1)處發(fā)生位移；鋼梁2未安裝，仍處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，并沿節(jié)點(diǎn)(1)處切線發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3(b)所示。

施工階段3：吊車在節(jié)點(diǎn)(1)處吊起鋼梁2。此時(shí)吊車上鋼梁2的自重對(duì)鋼梁1產(chǎn)生豎向力N和彎矩M，致使節(jié)點(diǎn)(1)繼續(xù)下?lián)?；鋼?由于還未安裝，仍為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，其繼續(xù)進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3(c)所示。

施工階段4：安裝鋼梁2。鋼梁2由于自重下?lián)希?節(jié)點(diǎn)(1)、(2)處產(chǎn)生位移，如圖3(d)所示。

需注意的是，從施工階段3到施工階段4，節(jié)點(diǎn)(1)處均存在鋼梁2的自重加載，因此h13′=h14′。

施工階段5：施加2期荷載。鋼梁1、2繼續(xù)下?lián)?，?jié)點(diǎn)(1)、(2) 處產(chǎn)生位移，如圖3(e)所示。

從施工階段1～5的過(guò)程可以看出，鋼梁1在安裝前，其整個(gè)梁段均處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，因此h15即為節(jié)點(diǎn)(1)處的安裝線形標(biāo)高；鋼梁2安裝時(shí)，h23w′為節(jié)點(diǎn)(2)處的安裝線形標(biāo)高。

施工階段5完成后，鋼梁1和鋼梁2實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形的關(guān)系也可以按下式計(jì)算。

施工階段1～2，節(jié)點(diǎn)(1)和節(jié)點(diǎn)(2)處的下?lián)现捣謩e為Δh112和Δh212，在施工階段2時(shí)有

h15-Δh112=h12′

(9)

h25-Δh212=h22w′

(10)

施工階段2～3，節(jié)點(diǎn)(1)和節(jié)點(diǎn)(2)處的下?lián)现捣謩e為Δh123和Δh223，在施工階段3時(shí)有

h12′-Δh123=h13′

(9)

h22w′-Δh223=h23w′

(10)

施工階段3～4，節(jié)點(diǎn)(1)和節(jié)點(diǎn)(2) 處的下?lián)现捣謩e為Δh134和Δh234，在施工階段4時(shí)有

h23′-Δh134=h14′

(11)

h23w′-Δh234=h24′

(12)

施工階段4～5，節(jié)點(diǎn)(1)和節(jié)點(diǎn)(2) 處的下?lián)现捣謩e為Δh145和Δh245，在施工階段5時(shí)有

圖3 斜拉橋懸臂梁節(jié)點(diǎn)在各施工階段的位移

h14′-Δh145=h15′

(13)

h24′-Δh245=h25′

(14)

將公式(1)～(14)聯(lián)立求解，可得到

h15′=0

h25′=0

即鋼梁1和鋼梁2按制造線形進(jìn)行制作，在其施工完成后各節(jié)點(diǎn)處的實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)線形標(biāo)高相吻合。

3 結(jié)論

1) 懸臂拼裝斜拉橋安裝線形與制造線形從概念上講存在本質(zhì)區(qū)別。制造線形計(jì)算時(shí)要求斜拉橋各梁段均為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)；安裝線形則是將已安裝梁段的有應(yīng)力狀態(tài)作為計(jì)算基礎(chǔ)。

2) 在計(jì)算梁段制造線形標(biāo)高的同時(shí)也確定了安裝線形標(biāo)高。梁段按制造線形在工廠制作完成后，采用切線安裝法進(jìn)行懸臂拼裝施工，新建梁段自由端連接形成的線形即為安裝線形。

3) 制造線形和安裝線形的標(biāo)高計(jì)算主要針對(duì)鋼斜拉橋。對(duì)于有混凝土參與的疊合梁斜拉橋而言，由于受混凝土收縮、徐變的影響，正向計(jì)算與反向計(jì)算無(wú)法閉合，故實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形不吻合。要解決此問(wèn)題可以進(jìn)行多次迭代計(jì)算，以使實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形差值在設(shè)計(jì)精度范圍之內(nèi)。

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Difference and Similarity between Erection Alignment and Manufacturing Alignment of Cantilever Erection for Cable Stayed Bridge

ZHOU Xiao

ZHOU XiaoAbstract: The erection of cantilever on cable stayed bridge involves concepts of design alignment, erection alignment and manufacturing alignment. This paper describes differences and similarities between erection alignment and manufacturing alignment during cantilever erection. We used a simple cantilever as example to verify the differences and similarities between erection alignment and manufacturing alignment with numeric computation.

Cable stayed bridge; cantilever erection; manufacturing alignment; erection alignment

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.016

2016-01-18

周 瀟(1982-)，男，貴州省貴陽(yáng)市人，碩士，高工。

1009-6477(2016)05-0066-04

U448.27

A