雙跨連續(xù)拱橋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

翁哲夫，鄭 健

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029; 2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

1 工程背景

某橋主橋采用上承式雙跨連續(xù)拱橋方案,為世界在建跨徑最大的雙跨連續(xù)拱橋。大橋單拱計(jì)算跨徑380 m,矢高80 m,矢跨比1/4.75,拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數(shù)1.55。

主拱桁采用鋼管混凝土變高度空間桁架,四肢格構(gòu)結(jié)構(gòu),斷面高度從拱頂6.5 m變化到拱腳11.0 m,單側(cè)拱桁寬7.5 m。兩幅拱桁橫向中心距17.5 m。單幅拱桁弦管由4肢φ1 400 mm鋼管組成,上弦管自拱腳至拱頂壁厚分為35 mm,32 mm;下弦管自拱腳至拱頂壁厚分為35 mm,32 mm,28 mm。弦管對(duì)接接頭采用內(nèi)法蘭盤(pán)栓接、管外焊接的形式進(jìn)行連接。管內(nèi)灌注C70自密實(shí)微膨脹混凝土。大橋采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工,橋型布置如圖1所示。

2 纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大橋纜索吊系統(tǒng)選用雙塔三跨方案,吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)分主系統(tǒng)和工作索系統(tǒng)兩種類型,每種類型均設(shè)計(jì)為兩套獨(dú)立系統(tǒng)。主系統(tǒng)跨徑布置為355 m+900 m+350 m,單套系統(tǒng)設(shè)計(jì)吊重105 t,單個(gè)吊點(diǎn)最大吊重70 t,垂跨比1/14,主要用于主拱肋、拱上立柱及蓋梁、橋面梁等安裝,塔頂索鞍設(shè)計(jì)為可橫移式,最大橫移距離17.5 m;工作索跨徑布置280 m+900 m+308.3 m,單套系統(tǒng)設(shè)計(jì)吊重10 t,垂跨比1/14,主要用于拱肋節(jié)段之間的風(fēng)撐平聯(lián)、剪刀撐等以及施工期間的小型機(jī)具、材料和構(gòu)件的運(yùn)輸。受場(chǎng)地條件限制,邊跨索布置呈外八字形式,最大偏角5°。大橋纜索吊裝系統(tǒng)布置如圖2所示。主要桿件統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 主要桿件統(tǒng)計(jì)

3 有限元模型的建立

利用空間有限元程序MIDAS/civil 2019建立大橋拱肋吊裝分析模型,拱肋吊裝順序按實(shí)際施工順序模擬,拱肋容重按每節(jié)段實(shí)際吊重進(jìn)行修正。大橋單拱半跨分8個(gè)節(jié)段安裝,全橋共劃分為64個(gè)吊裝節(jié)段。大橋有限元模型如圖3所示。

模型主要單元類型、材料名稱以及截面形狀尺寸如表1所示。

4 纜索吊裝控制計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 計(jì)算方法

對(duì)于鋼管混凝土拱橋纜索吊裝斜拉扣掛法施工而言,其關(guān)鍵在于拱肋扣索力和節(jié)段預(yù)抬量的求解。以“零彎矩法”為代表的解析法是CFST拱橋斜拉扣掛施工優(yōu)化計(jì)算的重要方法[1],可以快速估算出結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中各扣索索力和各施工吊裝階段的預(yù)抬高值等,然而,由于該方法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜桁式鋼管混凝土拱肋的重心位置和計(jì)算長(zhǎng)度等重要問(wèn)題,因而計(jì)算精度較低。

為克服傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算效率低、精度差、過(guò)程煩瑣等問(wèn)題,秦大燕等[2]基于影響矩陣原理和最優(yōu)化理論提出了“過(guò)程最優(yōu),結(jié)果可控”扣索一次張拉索力算法,本橋利用該方法進(jìn)行纜索吊裝施工控制計(jì)算,其詳細(xì)計(jì)算流程如圖4所示。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

以裸拱自重作用下的線形作為拱肋拆索后的目標(biāo)線形,結(jié)合“過(guò)程最優(yōu),結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計(jì)算方法,獲得實(shí)際施工過(guò)程中各施工階段控制點(diǎn)位移和扣索索力。由于大橋整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱,限于篇幅,僅提取單拱1/4肋拱肋線形和扣索張拉力計(jì)算結(jié)果,結(jié)果見(jiàn)圖5,圖6。

由圖5可得,在整個(gè)纜索吊裝施工歷程中,拱肋線形變化較為平順,拱肋松索后控制點(diǎn)線形與目標(biāo)裸拱自重作用下線形偏差最大僅為19 mm,松索線形走勢(shì)基本與目標(biāo)線形一致,且在拱肋施工歷程線形包絡(luò)范圍內(nèi)波動(dòng)較小,可見(jiàn)該組計(jì)算結(jié)果在施工過(guò)程中具有較高的安全性。

由圖6可得,隨著纜索吊裝施工的進(jìn)行,扣索力呈遞增趨勢(shì),扣索力變化較為平穩(wěn)[3],無(wú)劇烈突變,可用于指導(dǎo)施工。

根據(jù)MIDAS/civil計(jì)算結(jié)果,可得到各扣索在施工歷程中的索力最大值,根據(jù)該值在考慮鋼絞線2倍安全系數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步得到各扣索鋼絞線配束,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 扣索配束結(jié)果

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

取上述分析位置單拱1/4肋松索成拱線形和扣索實(shí)際張拉力與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖7,圖8所示。

由圖7可得,拱肋松索成拱后與目標(biāo)線形最大偏差控制在24 mm內(nèi),滿足JTG F80/1—2017公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中拱肋高程偏差(不大于L/3 000且不超過(guò)50 mm)要求[4],線形控制好。

由圖8可得,就拱肋扣索力而言,實(shí)測(cè)索力張拉值與理論計(jì)算值最大誤差控制在9%以內(nèi),過(guò)程無(wú)劇烈突變,可見(jiàn)扣索力計(jì)算精度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

以某主跨2×405 m世界在建最大跨上承式雙跨連續(xù)拱橋?yàn)楣こ瘫尘?詳細(xì)介紹了其纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)并對(duì)其纜索吊裝過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,得到如下結(jié)論:

1)考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,纜索吊裝系統(tǒng)采用雙塔三跨方案,主索和工作索系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置,且均設(shè)計(jì)為兩套系統(tǒng)。主索系統(tǒng)跨徑布置為355 m+900 m+350 m,單套系統(tǒng)設(shè)計(jì)吊重為105 t;工作索系統(tǒng)跨徑布置為280 m+900 m+308.3 m,單套系統(tǒng)設(shè)計(jì)吊重為10 t。

2)采用“過(guò)程最優(yōu),結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計(jì)算方法來(lái)計(jì)算扣索力、節(jié)段預(yù)抬量,可以達(dá)到很好控制拱圈線形的目的,可將成拱松索后拱圈線形與裸拱自重作用下的線形偏差控制在24 mm內(nèi),實(shí)際扣索張拉力與理論扣索張拉力最大誤差控制在9%以內(nèi)。