王胡鵬

（中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢 430034）

無應力狀態(tài)法在拱肋線形調(diào)整中的應用

王胡鵬

（中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢 430034）

以某采用纜索吊機斜拉扣掛法施工的大跨度鋼管混凝土拱橋為背景，探討了無應力狀態(tài)法在該類橋梁拱肋吊裝線形調(diào)整中的應用。通過推導扣索無應力長度變化量與索力變化量之間的關系，避免了傳統(tǒng)調(diào)索方法受調(diào)索次序影響的缺點，并在該橋實踐中進行了應用。結果表明，該方法用于拱肋線形調(diào)整可以滿足工程要求。本文提到的線形調(diào)整方法可供同類橋梁的施工控制參考。

無應力狀態(tài)法無應力長度鋼管混凝土拱施工控制

引言

纜索吊裝斜拉扣掛法是大跨度拱橋拱肋施工的一種主要方式[v]。該方法通過纜索吊裝系統(tǒng)將各個拱肋節(jié)段吊運到位，與已經(jīng)施工好的拱肋節(jié)段對接，并通過千斤頂扣掛系統(tǒng)將其固定，直至合龍。該方法具有張拉能力大、索力調(diào)整方便、控制精度高和錨固可靠等優(yōu)點。在實際施工中，由于誤差累積、索塔偏位、臨時荷載等影響，拱肋實際線形將偏離理論控制值。為了保證拱肋成拱后的內(nèi)力與線形滿足設計要求，需要對拱肋線形進行監(jiān)控[vi][vii]。當發(fā)現(xiàn)拱肋線形出現(xiàn)較大偏差時，可以通過張拉扣索進行調(diào)整，類似于斜拉橋中的“調(diào)索”。傳統(tǒng)的調(diào)索計算方法以索力作為控制量，每根索之間相互影響，某一根索力調(diào)整時，必將影響其他扣索。而無應力狀態(tài)法是指在一定的結構體系和作用體系下，通過精確控制結構構件的初始幾何尺寸與形態(tài)（結構內(nèi)力狀態(tài)的控制為輔）來達到對橋梁結構最終成橋幾何形態(tài)和內(nèi)力狀態(tài)控制的一種控制方法[viii][ix]。該方法以扣索的無應力長度作為控制量，直接得到扣索張拉前后索力增量與無應力長度變化量之間的關系，施工操作的自由度更大：通過計算扣索的無應力長度差，以錨頭拔出量（或放回量）調(diào)整拉索時，不受調(diào)索次序影響，精度更容易保證[x]。

工程背景

某橋主橋橋型為(60+180+60)m的飛雁式鋼管混凝土提籃式系桿拱橋，主橋長300m。主拱和邊拱拱軸線均采用懸鏈線，主拱計算跨徑180m，面內(nèi)矢高45m，矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)m=1.5，主拱拱頂間距為20.1m。邊拱計算跨徑120m，面內(nèi)矢高16.021m，矢跨比為1/7.49，拱軸系數(shù)m=1.5。

圖1 橋型布置圖

該橋主拱肋分節(jié)段在工廠預制而成，現(xiàn)場采用纜索吊機斜拉扣掛法施工。主拱肋節(jié)段劃分如圖2所示，沿主跨中心兩側對稱分為S1～S5（西岸）及S1’～S5’（東岸）共10個節(jié)段，中部設置合龍段。東、西兩岸各布置5對扣索，1#～5#扣索均采用鋼絞線，彈性模量均為195000MPa，有效斷面積分別為560、840、840、1120和1400mm2。

圖2 主拱肋節(jié)段劃分圖

該橋在主拱肋合龍前，西岸扣塔發(fā)生了較大的偏位，且在S5節(jié)段端部有一100kN的臨時荷載，因施工條件限制，需要在主拱肋合龍后才能拆除。如圖3所示，當前狀態(tài)下西岸半拱肋各扣點處標高偏差最大達到了-0.111m，如果不對拱肋線形進行調(diào)整，合龍段將無法以無應力長度安裝就位，主拱肋成拱后內(nèi)力與線形也無法滿足理論要求。

圖3 拱肋實際狀態(tài)高程偏差

扣索無應力長度變化量與索力增量關系推導

如圖4所示，設定扣索張拉前后兩個結構狀態(tài)，其中結構狀態(tài)1：扣索有應力長度為L1，無應力長度為L10，扣索斷面積為A，扣索的彈性模量為E，索力為F1，環(huán)境溫度為T1；通過給扣索施加張拉力，達到結構狀態(tài)2：即扣索有應力長度變?yōu)長2，無應力長度為L20，索力為F2，并假定扣索張拉到位時環(huán)境溫度為T2。

圖4 兩種結構狀態(tài)

根據(jù)以上描述，易得到如下關系式：

式(2)-式(1)，并整理可得：

假設單位力引起的扣索有應力長度變化量為ε，即：

聯(lián)立式(3)、式(4)：

式(6)中，ε代表索兩端結構的剛度。可以看出，兩個結構狀態(tài)之間的索力增量ΔF只與其無應力長度L10、L20及兩個狀態(tài)的溫度T1、T2有關。因此，以無應力長度作為控制量，避免了傳統(tǒng)方法進行索力調(diào)整時受調(diào)索次序影響的缺點。

無應力狀態(tài)法進行拱肋線形調(diào)整

上一節(jié)推導了扣索無應力長度改變量與索力增量之間的關系。本節(jié)利用推導結果，利用midas Civil分別建立該橋理想狀態(tài)與實際狀態(tài)的計算模型，計算兩個狀態(tài)的扣索信息（包括：扣索錨點坐標、扣點坐標、無應力長度及當前階段的索力等）。

計算模型如圖5所示，兩個狀態(tài)扣索錨點坐標及索力信息分別如表1～表2所示。

圖5 主拱肋大懸臂階段計算模型

表1 理想狀態(tài)扣索信息表

表2 實際狀態(tài)扣索信息表

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)，將拱肋線形偏差轉化為兩個狀態(tài)扣索無應力長度的偏差，利用前述推導公式，容易計算出各扣索需要施加的調(diào)整力，如表3所示：

表3 拱肋線形調(diào)整索力增量計算表

將表3計算得到的索力增量施加于實際狀態(tài)計算模型，可得到調(diào)索后的拱肋線形。如圖6所示：通過張拉扣索進行線形調(diào)整后，各扣點高程偏差明顯減小。對線形進行調(diào)整后，主拱肋各控制點高程偏差值最大為-0.018m，小于L/3000=0.060m，滿足控制要求。

圖6 線形調(diào)整后各扣點高程偏差

結語

從以上分析結果可以看出，無應力狀態(tài)法通過扣索的無應力長度作為控制量，避免了傳統(tǒng)調(diào)索計算中受調(diào)索次序影響的缺點。同時，通過將拱肋線形偏差轉化為扣索無應力長度差的方式，確定出拱肋線形調(diào)整所需要的扣索張拉力。結果表明，該方法可以滿足工程要求，可供同類橋梁施工控制參考。

[1]陳寶春. 鋼管混凝土拱橋[M]. 第二版. 北京：人民交通出版社，2007

[2]向中富. 橋梁施工控制技術[M]. 北京：人民交通出版社，2001

[3]徐君蘭. 大跨度橋梁施工控制[M]. 北京：人民交通出版社，2000

[4]秦順全. 橋梁施工控制——無應力狀態(tài)法理論與實踐[M]. 北京：人民交通出版社，2007.2

[5]李喬等著. 大跨度斜拉橋施工全過程幾何控制概論與應用[M]. 成都：西南交通大學出版社，2009.4

[6]秦順全. 分階段施工橋梁的無應力狀態(tài)控制法[J]. 橋梁建設，2008（1）

TU714

B

1007-6344（2016）02-0236-02

王胡鵬（1988.03---），男，漢族，山西長治人，碩士研究生，中鐵大橋科學研究院有限公司，主要研究方向：大跨度橋梁施工控制及健康監(jiān)測。