廣南高速昭化嘉陵江特大橋扣索系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

劉瑞山

摘要 文章以昭化嘉陵江特大橋?yàn)槭┕け尘埃榻B了扣掛系統(tǒng)構(gòu)造、扣索系統(tǒng)分析、錨索計(jì)算和靜陣風(fēng)載計(jì)算等施工技術(shù)要點(diǎn)，并采用大型有限元軟件Midas進(jìn)行了鋼管勁性骨架拱肋節(jié)段纜索吊裝的仿真分析，得出了各階段扣索和錨索的索力以及鋼骨架的應(yīng)力值，考慮了在最大懸臂階段陣風(fēng)風(fēng)載對扣索系統(tǒng)的影響，為施工提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 昭化嘉陵江特大橋；Midas； 纜索吊裝；仿真分析；陣風(fēng)荷載

中圖分類號 U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0048-03

0 引言

昭化嘉陵江特大橋是廣南高速公路重要的跨江大橋，建成后縮短了貴州和四川之間的交通時(shí)間和距離。為確保橋梁施工的安全和順利進(jìn)行，扣索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是至關(guān)重要的一環(huán)[1]。該文將圍繞該工程的扣索系統(tǒng)展開探討，分別從扣掛系統(tǒng)構(gòu)造、扣索系統(tǒng)分析等方面進(jìn)行闡述。在扣索系統(tǒng)分析中，將介紹相關(guān)的模型和方法，并分別進(jìn)行扣索張力分析、骨架應(yīng)力分析、錨索計(jì)算以及扣索系統(tǒng)靜陣風(fēng)載計(jì)算等方面的研究，以期為該工程的扣索系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全性評估提供參考[2]。

1 工程概況

昭化嘉陵江特大橋位于廣元市昭化鎮(zhèn)，跨越嘉陵江。大橋左幅起于K12+420.223，右幅起于K12+420.223，兩幅均止于K13+284.223，全橋長864 m，主橋橋面縱坡?0.3%，采用整幅設(shè)計(jì)。全橋跨徑組合為（8×30）m預(yù)應(yīng)力簡支小箱梁+跨徑364 m拱橋+（8×30）m預(yù)應(yīng)力簡支小箱梁，主橋長364 m，引橋長500 m。

2 扣索系統(tǒng)分析

單側(cè)鋼骨架共設(shè)置6個(gè)扣段和13個(gè)吊裝節(jié)段，除1號扣段由預(yù)埋段及1、2吊段組成外，其余均是兩個(gè)吊段為一扣段。安裝分為三個(gè)階段進(jìn)行：第一階段進(jìn)行南充側(cè)13個(gè)節(jié)段安裝；第二階段進(jìn)行廣元側(cè)13個(gè)節(jié)段安裝；第三階段合龍段安裝。具體施工工況劃分見表1。

廣元岸和南充岸的1#和2#扣索通過錨固在蓋梁上進(jìn)行張拉。而3#、4#、5#和6#扣索則直接錨固在墩頂鋼錨箱上進(jìn)行張拉。此外，6#和7#臨時(shí)扣索固結(jié)在吊裝索塔的塔頂。為了實(shí)現(xiàn)臨時(shí)固結(jié)，采用了直徑為Φ47.5的鋼絲繩作為臨時(shí)扣索材料[3]。

2.1 模型介紹

為確保鋼骨架拱肋的安全安裝，采用Midas有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算。圖1為吊裝計(jì)算模型圖。在該模型中，昭化嘉陵江特大橋的鋼骨架使用梁單元表示，全橋總共包含共3 746個(gè)單元。正式扣索和5#、6#臨時(shí)扣索則采用索單元表示，每幅拱肋上相同角度的一對（臨時(shí)）扣索合并為1根，扣點(diǎn)選在中間鋼管處。整座橋梁共建有12對正式扣索和4對臨時(shí)扣索，所有扣索均采用單元模擬計(jì)算[4]?？鬯麇^固點(diǎn)及拱腳均采用固接，荷載除鋼骨架自重外，還考慮了臨時(shí)施工荷載。通過模擬計(jì)算鋼骨架拱肋的吊裝過程，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性[5]。全橋各部件單元選擇與材料特性見表2。

2.2 扣索張力分析

扣索張力采用正裝迭代法計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：兩岸單肋單根扣索在各施工階段張力見表3～4：

在實(shí)際施工中，由于施工條件影響，尾索及扣索的水平力總存在一定差值，按照《公路橋涵施工規(guī)范》要求，塔腳鉸接的支架，塔頂偏位不得大于l/150（l為塔高），對該橋吊裝索塔而言，其偏位應(yīng)控制在±0.203 m內(nèi)[6]。根據(jù)計(jì)算，索塔容許水平力極限差值為25.2 t。

2.3 骨架應(yīng)力分析

南充岸吊裝階段最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊裝第六段，鋼結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳下弦桿位置，最大壓應(yīng)力為80.11 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳上弦桿位置，最大拉應(yīng)力為44.73 MPa。圖2為南充岸第6節(jié)段。

廣元岸吊裝階段最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊裝第六段，鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在拱腳下弦桿位置，最大壓應(yīng)力為81.44 MPa，出現(xiàn)在拱腳上弦桿位置，最大拉應(yīng)力為43.97 MPa。圖3為廣元岸第6節(jié)段。

以上結(jié)果表明，單肋吊裝時(shí)鋼管骨架應(yīng)力均小于《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》上規(guī)定的Q345鋼的抗壓軸向容許應(yīng)力[σ]=200 MPa和剪切容許應(yīng)力[τ]=120 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

2.4 錨索計(jì)算

根據(jù)錨索張力水平力與扣索張力水平力相等原則（方向相反），計(jì)算出各施工階段全橋兩岸錨索張力見表5。

2.5 扣索系統(tǒng)靜陣風(fēng)載計(jì)算

為了評估陣風(fēng)荷載對扣索系統(tǒng)的影響，特采用通用有限元程序Midas對吊裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析。以該橋施工過程中的最大懸臂狀態(tài)（即吊裝第6#扣段后），并考慮了橫橋向的計(jì)算風(fēng)壓。通過這一分析，研究了拱肋勁性骨架在該荷載（橫橋向）作用下的強(qiáng)度和變形情況，以評估扣鎖系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。拱肋勁性骨架的計(jì)算如下：

W橫=K0K1K2K3K5W0 （1）

式中，W橫——橫向風(fēng)壓；K0——設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，K0=1.0；K1——風(fēng)載阻力系數(shù)，K1=1.1；K2——考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，K2=1.48；K3——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，K3=1.4；K5——陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，K5=1.38；W0——基本風(fēng)壓，W0=0.35 kN/m2（根據(jù)蘭州至?？诟咚俟窂V元至南充段兩階段施工設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)）。

W縱=0.4W橫 （2）

將參數(shù)代入公式（1）（2）中，有

W橫=K0K1K2K3K5W0

=1.0×1.1×1.48×1.4×1.38×350=1 100.85 Pa

W縱=0.4W橫=0.4×1 100.85=440.34 Pa

圖4為吊裝系統(tǒng)靜陣風(fēng)載計(jì)算模型圖。在最大懸臂狀態(tài)（吊裝第6#扣段后）橫向靜陣風(fēng)載作用下，其最大壓應(yīng)力為182.78 MPa，最大拉應(yīng)力為160.13 MPa，橫橋向最大剪應(yīng)力7.07 MPa。未拉浪風(fēng)索的條件下，最大懸臂狀態(tài)（吊裝第6#扣段后）橫向靜陣風(fēng)載作用下橫向偏位dy=0.541 2 m?？紤]到強(qiáng)度及其對拱肋合攏影響，所以建議設(shè)計(jì)布置浪風(fēng)索。

以上結(jié)果表明，單肋吊裝時(shí)鋼管骨架應(yīng)力均小于《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》上規(guī)定的Q345鋼的軸向容許應(yīng)力[σ]=200 MPa和剪切容許應(yīng)力[τ]=120 MPa，滿足要求。

3 結(jié)論

該文以昭化嘉陵江特大橋?yàn)檠芯勘尘埃么笮陀邢拊浖﨧idas對其扣索系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。通過分析扣索系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和受力情況，得出以下結(jié)論：在施工過程中，需要考慮扣索系統(tǒng)的張力、應(yīng)力和靜陣風(fēng)荷載，并采取相應(yīng)的措施來防范潛在問題。該文的研究，為昭化嘉陵江特大橋的扣索系統(tǒng)施工提供了一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，對于確保橋梁施工質(zhì)量和工程安全具有重要的指導(dǎo)作用。

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