某钢筋混凝土拱桥劲性骨架缆索吊装施工过程仿真优化

陈晓丽， 田锐敏， 冯怡文, 方春平

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国桥梁技术的不断发展，钢管混凝土劲性骨架拱桥在设计及施工技术方面取得了突破性进展。近年来，我国相继诞生了世界最大跨径的公路上承式劲性骨架拱桥——万县长江大桥和铁路上承式劲性骨架拱桥——沪昆客专北盘江大桥。劲性骨架钢筋混凝土拱桥钢结构骨架多采用钢绞线斜拉扣挂法分节段吊装施工，而劲性骨架拱肋合龙后将作为后续管内混凝土灌注及外包混凝土浇筑的初始状态，因此，有必要研究不同吊装方案对劲性骨架受力及变形的影响。本文拟通过对比两种临时扣索索力释放顺序对结构受力及变形影响规律，从而选择最合理的吊装方案供后续同类桥型建设参考。

1 工程概况

本文是以在建四川省境内某上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥为工程背景展开研究。主要工程为金沙江特大桥，全长385.2 m，主桥桥面采用3 %的单向纵坡。全桥跨径组合为3×21.2 m(预应力混凝土小箱梁)+275.6(13×21.2) m(钢筋混凝土拱桥)+35 m(现浇预应力混凝土箱梁)，主孔净跨为260 m。主拱采取等截面悬链线无铰拱，主桥总体布置见图1。

图1 主桥总体布置(单位：m)

劲性骨架为型钢和钢管组成的桁架结构，上、下各三根φ508×16(24) mm的钢管弦杆，各弦杆之间通过横联角钢和竖向角钢连接而构成型钢-钢管桁架，在拱肋横联对应位置设交叉撑，加强横向连接，腹杆及平联与弦杆均采用焊缝连接，具体布置见图2～图4。全桥劲性骨架两岸各6个扣段+1个拱脚预埋段+1个拱顶合龙段，每个扣段又分为两个标准段，全桥一共24个标准段，吊装过程两岸各设置6对临时扣索与正式扣索，由于桥位处风力较大，故每个扣段设置1对缆风索，经过风洞实验确定每根抗风索索力取80 kN。

(a)无横撑横截面

(b)横撑断面横截面图2 劲性骨架横断面布置

图3 劲性骨架立面布置

图4 劲性骨架平面布置

2 缆索吊装及施工过程仿真

2.1 吊装施工方案

劲性骨架吊装顺序为每节段两岸对称进行，即四川岸拱脚预埋段→云南岸预埋段→四川岸1-1节段→云南岸1-1节段依次安装至合龙段。每一扣段的吊装节段就位后，应调整扣索力，使拱肋轴线与标高位于设计安装线型，当误差满足设计要求后，方可焊接弦杆接头。合龙安装的前几天应进行全天天气观察，气温测量，掌握气温变化规律，确定最佳合龙时刻，测量两岸6-2节段前端各个角点坐标，以便对合龙段进行长度修正，现场放样切割，做好坡口，根据拱肋线型进行合龙段配切施工。在每个扣段安装完成后，在第二标准段设置1对抗风索，用于确保吊装过程骨架横桥向稳定性。

2.2 仿真计算模型

本文缆索吊装施工过程利用大型桥梁专业有限元软件MIDAS CIVIL建立图5所示的计算模型，利用空间梁单元模拟劲性骨架的6根弦管、腹杆连接系等。对于索的模拟有索单元和等效桁架单元两种方法，索单元用于大位移效应分析。本文只进行扣背索索力计算，故采用等效桁架单元模拟扣背索和抗风索，索力用预应力荷载中的初拉力代替，吊装模型中采用一般支撑类型约束拱脚对应节点的全部自由度。计算不考虑索塔、交界墩和扣背索、抗风索锚锭位移，也采用同样约束处理，索塔与交界墩顶锚箱按刚接处理。

图5 四川岸劲性骨架吊装计算模型

3 两种吊装方案对比

由于每个扣段安装完成需要及时释放临时扣索索力，在实际施工过程中发现，不同释放顺序会对劲性骨架受力与线型产生显著影响，有些情况下会直接导致骨架合龙后线型不符合设计要求，下文将按照表1所列的两种施工方案模拟实际吊装过程。

3.1 扣索索力对比

由于吊装施工阶段仿真计算以设计线型为基准建立模型，因此吊装过程中只需控制劲性骨架各扣点标高达到设计标高，误差控制在1 cm以内，通过Midas Civil中的索力优化功能确定两种吊装方案扣索索力张拉值见表2、表3。

通过表2和表3两者扣索索力值发现：两种吊装方案张都是通过张拉扣索使劲性骨架吊装节段扣点标高位于设计标高一定误差范围内，但是方案1与方案2索力结果却截然不同，相差较大，总体规律是吊装方案1索力值明显大于吊装方案2，而且由于从1#～6#扣索倾角逐渐减小，索力竖向分量减小，导致索力差值依次逐渐增大，6#扣索索力相差约20 %。

表1 缆索吊装施工阶段划分

表2 吊装方案1四川岸扣索索力值

表3 吊装方案2四川岸扣索索力值

3.2 劲性骨架应力对比

两种施工方案劲性骨架钢管应力对比见图6～图9。

根据图6～图9两种施工方案劲性骨架钢管表面应力随施工阶段变化历程曲线可知：两种方案上下弦管应力变化趋势相反，吊装方案一拱脚、L/8、2L/8及3L/8截面上下弦管整个吊装过程中都为压应力，且应力数值随施工阶段增加，上弦管应力变化较小，且拱脚局部阶段出现较小的拉应力；吊装方案二上弦基本一直处于受拉状态，而下弦管处于受压状态，这一变化趋势在拱脚截面尤为突出，吊装开始便出现较大拉应力。

(a)吊装方案一弦管应力

(b)吊装方案二弦管应力图6 拱脚截面钢管应力对比(单位：MPa)

(a)吊装方案一弦管应力

(b)吊装方案二弦管应力图7 拱肋L/8截面钢管应力对比(单位：MPa)

(a)吊装方案一弦管应力

(b)吊装方案二弦管应力图8 拱肋L/4截面钢管应力对比(单位：MPa)

(a)吊装方案一弦管应力

(b)吊装方案二弦管应力图9 拱肋3L/8截面钢管应力对比(单位：MPa)

3.3 成拱线型对比

图10给出了两种施工方案劲性骨架缆索吊装合龙松扣后拱肋在纵桥向竖向变形规律。由图可知，吊装方案一成拱竖向标高基本位于设计标高周围，在拱肋约L/4处大约上拱3.6 cm，拱顶位置下挠2.2 cm；而吊装方案2骨架高程全部低于设计标高，并且自拱脚向拱顶依次增大，在拱顶位置下挠约12 cm。由此可见方案2骨架成拱线型与设计相差较大，已经不能满足JTG/TD 65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中钢结构拱肋节段安装标高误差，由此会造成后期拱肋合理拱轴线发生变化。

图10 劲性骨架合龙松扣竖向变形(单位：mm)

4 结论

本文通过对四川省某在建钢筋混凝土拱桥劲性骨架两种缆索吊装方案对比，在骨架节段定位同样达到设计标高时，由于临时扣索索力释放顺序不同导致劲性骨架成拱后线型与应力差异较大，方案二张拉正式扣索后再释放临时扣索索力，造成正式扣索索力张拉值偏小，临时索力释放后骨架必然下沉。因此，成拱线型低于设计标高，骨架上弦管始终出现较大拉应力，实际施工建议采用吊装方案一，可以确保成桥拱肋线型与受力在设计误差范围内。