莫鳳

文章以廣西平南三橋的拱肋吊裝為研究背景，對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節(jié)段架設(shè)施工、扣索索力問(wèn)題進(jìn)行了研究?；炷凉嘧r(shí)，南岸和北岸拱肋橫向偏位基本一致，拱肋失穩(wěn)可能性降低。通過(guò)計(jì)算扣索索力，對(duì)比仿真計(jì)算分析技術(shù)、零彎矩法和零位移法的索力值，得到零彎矩法和零位移法的索力值誤差較大，而仿真計(jì)算分析技術(shù)索力值誤差較小。在拱肋拱軸線形偏差研究中，分析了三種技術(shù)應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明仿真計(jì)算分析技術(shù)設(shè)計(jì)的拱軸線與期望拱軸線最為接近，說(shuō)明施工效果較好。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，結(jié)合ANSYS軟件分析功能，該技術(shù)能較好地保證大跨度鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性，其索力值最大誤差為1.2，拱形偏差1 cm。

大跨度鋼管混凝土;拱橋拱肋;施工;仿真計(jì)算分析;索力

U448.33A230794

0 引言

近幾年來(lái)，我國(guó)建造了越來(lái)越多的大跨度拱橋，這種鋼管混凝土橋梁具有結(jié)構(gòu)美觀、受力大、節(jié)約大量建筑材料等優(yōu)點(diǎn)[1]。伴隨著鋼管混凝土拱橋建設(shè)的增多，推動(dòng)了橋梁結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展[2]。但從我國(guó)鋼管混凝土拱橋的發(fā)展歷史和經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和施工工藝存在著諸多問(wèn)題。如一些鋼管混凝土拱橋缺乏合理的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，成橋后在拱背混凝土中出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象，造成拱橋質(zhì)量下降。由于施工方法和安裝次序都與拱橋的拱圈形狀以及拱橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力密切相關(guān)，而且由于拱橋的結(jié)構(gòu)體系、施工階段和荷載條件的不同，其內(nèi)力和變形也會(huì)發(fā)生變化，因此有必要對(duì)拱橋拱肋的安裝過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。鋼管拱肋斜拉扣掛式懸臂式扣索是由鋼絞線或高強(qiáng)度鋼絲索制成，利用錨具固定兩端，工作狀態(tài)類(lèi)似斜拉橋上的纜索，與傳統(tǒng)索具相比，工作條件較好，節(jié)省材料，且可一次性拉出[3]。

對(duì)于在鋼管拱肋鋼索吊裝中的斜拉索吊裝施工工藝，有很多方法來(lái)確定索力值。部分學(xué)者和橋梁設(shè)計(jì)施工專(zhuān)業(yè)人員使用了一種以手動(dòng)調(diào)節(jié)拉索受力為主要思想的“零彎矩法”，該方法可實(shí)現(xiàn)拉索各拱肋連接處的零彎矩。其不足之處是沒(méi)有考慮扣塔和錨索的作用，錨索數(shù)量調(diào)整過(guò)多，“接頭彎矩為零”不適用。之后，又提出了“零位移法”的技術(shù)手段，零位移法的基本思想是假定鋼管拱肋上所有索點(diǎn)都能在索力就位后達(dá)到預(yù)設(shè)的拱軸和標(biāo)高，采用有限元模型計(jì)算各拱肋的索力。其缺點(diǎn)是忽略了吊裝連接的影響，導(dǎo)致索力增量計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。因此有必要對(duì)鋼管混凝土大跨度拱橋拱肋施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，以解決存在的問(wèn)題。本文以廣西平南三橋拱肋吊裝索的受力分析為背景，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節(jié)段架設(shè)施工過(guò)程

本文以橫跨潯江的一座特大橋——廣西平南三橋?yàn)槔?，?duì)全長(zhǎng)1 035 m、主橋全長(zhǎng)575 m的大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋施工進(jìn)行分析。

1.1 拱橋拱肋節(jié)段吊裝

橋上鋼管拱肋的吊裝系統(tǒng)采用吊索系統(tǒng)的吊鉤形式，以門(mén)式塔為主要塔型，利用萬(wàn)向桿鉸接下端，上扣塔連接拱腳墩。升降系統(tǒng)由絞盤(pán)、鋼絲繩和跑車(chē)組成，該系統(tǒng)在提升過(guò)程中由主繩上的牽引力提升，固定緊固索采用15.24 mm預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，上下對(duì)稱(chēng)布置。鋼鉸線錨采用P型擠出錨固在拱肋扣上，然后相應(yīng)的索鞍通過(guò)扣塔座進(jìn)入地錨，穿過(guò)地錨上的張拉梁，再用夾子夾住張拉錨桿的千斤頂，以達(dá)到調(diào)節(jié)拱肋扣高度、錨固拱肋的目的。在提升過(guò)程中，每個(gè)肋骨的穩(wěn)定性也受每個(gè)肋骨控制，肋骨軸線也受索橫風(fēng)的調(diào)節(jié)[4]。通過(guò)對(duì)索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)承載力的分析，確定該橋上、下拱肋分別為44、29，共22根，其中提升12根。要求拱的靶面之間位移≤30 mm，拱的對(duì)接誤差不能超過(guò)3 mm，拱的軸線橫向位移≤10 mm。

每一個(gè)拱肋的安裝應(yīng)按以下程序進(jìn)行：（1）觀察鋼拱肋前緣各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，并將其調(diào)整到理想位置;（2）安裝纜索，但不加力（只是為了克服重量）[5];（3）在索鉤吊裝起拱肋軸線正下方運(yùn)輸?shù)墓袄叨?，調(diào)整縱角（沿橋），用橫向索調(diào)整橫角;（4）臨時(shí)架設(shè)連接完成后，進(jìn)行螺栓結(jié)構(gòu)安裝;（5）在吊車(chē)進(jìn)行其他作業(yè)時(shí)，電纜緊固力調(diào)整為彈力;（6）利用仿真計(jì)算得到的力值調(diào)整索力，使鋼管拱盡可能接近理想位置，高強(qiáng)度螺栓采用偏心微調(diào)緊，對(duì)稱(chēng)下提[6]。

1.2 拱肋合龍

安裝拱肋時(shí)，由于各體系受力最大，安全系數(shù)最小，因此，對(duì)鋼管拱的成功合龍是最終控制的關(guān)鍵，也是最危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)，所以必須設(shè)計(jì)合理的合龍方式及施工工藝。

為了保證最終合龍的安全性，廣西平南三橋采用單側(cè)預(yù)埋式，跨中留空，對(duì)鋼管桁架的處理遵循對(duì)稱(chēng)性原理，先對(duì)稱(chēng)兩側(cè)的臺(tái)面，第一等待段為梁底與橫臂之間，第二等待段為上，第三等待段為鋼管拱肋吊裝的最后北面，鋼管拱肋吊裝南岸，調(diào)整吊裝高度，往復(fù)第一等待段;第一等待段結(jié)束后，采用套焊方式，第一等待段固定后，將切口永久關(guān)閉[7]。這同樣適用于上游和下游。再次測(cè)量拱肋合龍前的截面高度、軸線及索力。通過(guò)調(diào)節(jié)索力和索風(fēng)，在保證索力安全的前提下，使北拱拱肋的高度誤差和拱軸誤差達(dá)到設(shè)計(jì)允許值。

1.3 松扣索

廣西平南三橋拱肋上、下合龍時(shí)，主弦節(jié)點(diǎn)、橫梁焊接完畢。拱腳主弦管焊接補(bǔ)強(qiáng)后，松散拉索索力程序如下：（1）千斤頂離拱腳一步一步地松開(kāi)1/4串扣索力，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，分批同步[8];（2）當(dāng)拱肋標(biāo)高較高時(shí)，應(yīng)注意索應(yīng)先松后緊，并可通過(guò)重力軸對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使其與設(shè)計(jì)值更吻合[9];（3）為確?；炷翝仓^(guò)程中鋼管的安全，鋼絲繩松開(kāi)后應(yīng)保持不動(dòng)，以便在鋼絲應(yīng)力超過(guò)極限值時(shí)，能局部調(diào)整。

1.4 線纜吊裝

本項(xiàng)目主要研究廣西平南三橋空鋼管析架拱肋的吊裝方案，包括目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)無(wú)支撐吊裝系統(tǒng)，采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩吊裝。線纜升降系統(tǒng)的主塔為門(mén)式塔，其下端由一根萬(wàn)向桿支撐，并用6根密封鋼絲繩封住，弧垂直徑為20.0 m。升降系統(tǒng)由升降機(jī)、鋼絲繩和跑車(chē)組成，各個(gè)部分通過(guò)牽引繩與主繩相連。廣西平南三橋拱肋吊裝斜拉系統(tǒng)是一種不受纜索吊裝系統(tǒng)影響的系統(tǒng)，扣式塔架也是門(mén)式萬(wàn)能桿，底部有鉸鏈，因客觀條件限制，南北塔高存在差異[10]。

懸吊扣掛系統(tǒng)的扣索采用15.25 mm預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)錨固：P型錨碇由預(yù)應(yīng)力鋼鉸線推進(jìn)至錨肋點(diǎn)，相應(yīng)的索鞍由懸吊塔進(jìn)入錨固位置，通過(guò)錨上拉力調(diào)整錨肋高度和錨固拱肋高度，千斤頂用夾具和錨具張拉[11]。該橋拱上、下拱肋對(duì)稱(chēng)性地分為22節(jié)，整座橋共有44節(jié)拱肋，采用弓形肋骨交叉留置間隙，單側(cè)嵌合折疊。其折疊形式為：鋼管桁架遵循對(duì)稱(chēng)的原則，上下兩截21齊頭并進(jìn)，上兩截22位于南端，上兩截22位于上兩截22之間。兩端拉索的錨固結(jié)構(gòu)受橋梁兩側(cè)地形和橋塔高度的限制，與橋梁中跨、懸吊系統(tǒng)等均不對(duì)稱(chēng)[12]。圖1為廣西平南三橋纜索吊裝系統(tǒng)。

2 大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節(jié)段架扣索索力計(jì)算

2.1 索力分析模型構(gòu)建

對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋某個(gè)吊裝階段，使用空間梁?jiǎn)卧邢拊刂品匠虂?lái)描述，由此構(gòu)建索力分析模型：

Wx=F（1）

式中：

W——大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝整體剛度矩陣;

x——拱橋拱肋吊裝節(jié)點(diǎn)位移向量;

F——拱橋拱肋吊裝節(jié)點(diǎn)等效力向量[13]。

針對(duì)某個(gè)特定的吊裝階段，拱橋拱肋吊裝節(jié)點(diǎn)位移向量是索力向量的函數(shù)，可表示為：

x=x（G）（2）

結(jié)合式（2），可將求索力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有約束條件的極小值問(wèn)題，表達(dá)式為：

min：f（G）=∑i（xj（G）-xj）2（3）

式中：

f——最小目標(biāo)函數(shù)，作為約束條件的求索力;

G——扣索索力向量組;

xj——吊裝節(jié)點(diǎn)位移狀態(tài)變量[14]。

式（3）的約束條件為：

Gi≥0，i=1，2…Nh≤Xj（G）≤h，j=1，2…H（4）

式中：

Gi——第i個(gè)位置扣索的索力值;

Xj（G）——拱橋拱肋第j個(gè)節(jié)點(diǎn)豎向位移狀態(tài)變量;

h和h——分別拱肋標(biāo)高偏差上下限;

N——扣索數(shù)量;

H——標(biāo)高節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。

2.2 扣索索力計(jì)算

扣掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)體系，分為南、北兩岸，保證扣塔高度、扣索的組數(shù)、水平傾角及扣點(diǎn)位置全部相同，而且兩側(cè)位置與原設(shè)計(jì)岸扣一致，上、下游拱軸線標(biāo)高偏差如圖2所示。

由圖2可知，該預(yù)埋式仍采用留置空間預(yù)埋式，但已由單邊式改為雙邊式，即在第6節(jié)上下段預(yù)埋式安裝完畢后，再進(jìn)行跨中預(yù)埋式。在這一工序中，假定鋼管拱肋吊裝時(shí)，索力計(jì)算精度較低，且安裝誤差較大，當(dāng)拱肋合龍時(shí)，上下拱肋的實(shí)測(cè)線值相差較大，因此索力調(diào)整的最佳數(shù)量只有在完成4～5 cm后才能確定，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。拱肋順利合龍后，在最佳條件下，其線形和受力狀態(tài)都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[15]。將調(diào)整線各扣索索力的調(diào)整量作為最優(yōu)設(shè)計(jì)變量，大橋南北半跨拱肋各有22對(duì)扣索，同側(cè)拱肋上各扣索索力應(yīng)相同，總設(shè)計(jì)變量n=22。

由于最不利應(yīng)力產(chǎn)生在扣索力的調(diào)整范圍、鋼管拱肋高程控制點(diǎn)的變形以及受內(nèi)力控制的截面上，必須進(jìn)行變量的約束。因此將狀態(tài)變量設(shè)置在索力調(diào)整的優(yōu)化搜索計(jì)算中，扣索力設(shè)計(jì)值與扣索力的調(diào)節(jié)范圍、存在程度有關(guān)。各個(gè)扣索張力值及調(diào)整后的數(shù)值如表1所示。

由表1可知，經(jīng)各個(gè)扣索力值調(diào)整后，南北兩岸索力值差異較小，因此完成鋼管混凝土大跨度拱橋拱肋施工，效果更為精確。

3 實(shí)驗(yàn)

本文以廣西平南三橋拱肋吊裝為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)所研究的大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋施工過(guò)程仿真計(jì)算分析技術(shù)有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 基于ANSYS實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

基于ANSYS實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析步驟如下：

步驟1：生成包含整個(gè)分析過(guò)程的循環(huán)分析文件，并具備以下條件：（1）參數(shù)化建模;（2）求解;（3）提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。

步驟2：建立ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)，其中變量與ANSYS變量的參數(shù)相對(duì)應(yīng)。

步驟3：根據(jù)參數(shù)指定分析文件。

步驟4：聲明優(yōu)化變量。

步驟5：選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。

步驟6：指定最優(yōu)循環(huán)控制模式。

步驟7：優(yōu)化分析。

步驟8：檢查設(shè)計(jì)排序結(jié)果和后續(xù)處理。

根據(jù)上述分析過(guò)程，對(duì)扣索索力計(jì)算結(jié)果和拱軸線形偏差進(jìn)行詳細(xì)分析，并將本文所研究的技術(shù)與傳統(tǒng)零彎矩法和零位移法進(jìn)行對(duì)比。

3.2 扣索索力計(jì)算結(jié)果比較分析

結(jié)合ANSYS分析功能，分別采用本文提出的仿真計(jì)算分析技術(shù)、零彎矩法和零位移法對(duì)廣西平南三橋拱肋吊裝中南岸第1、5、10、12位置，北岸第11、15、20、22位置的扣索索力求取結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并與實(shí)際施工期望索力值進(jìn)行比較，如表2所示。

由表2可知，使用零彎矩法與實(shí)際施工期望索力值的最大誤差為2.8;使用零位移法與實(shí)際施工期望索力值的最大誤差為1.8;使用仿真計(jì)算分析技術(shù)與實(shí)際施工期望索力值的最大誤差為1.2。通過(guò)該對(duì)比結(jié)果可知，使用仿真計(jì)算分析技術(shù)的扣索索力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工期望索力值更加接近。

3.3 拱軸線形偏差比較分析

采用本文提出的仿真計(jì)算分析技術(shù)、零彎矩法和零位移法對(duì)廣西平南三橋拱肋的拱軸線形偏差進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，使用仿真計(jì)算分析技術(shù)的拱軸線與期望拱軸線最為接近，拱形偏差最大為1 cm;使用零彎矩法與期望拱軸線相差最大，最大拱形偏差為14.5 cm;使用零位移法最大拱形偏差為4.9 cm。通過(guò)該對(duì)比結(jié)果可知，使用仿真計(jì)算分析技術(shù)設(shè)計(jì)的拱軸線與期望拱軸線最為接近。

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：采用模擬計(jì)算分析技術(shù)，對(duì)拱橋拱肋段的架設(shè)進(jìn)行分析，對(duì)44節(jié)拱肋扣索的索力值進(jìn)行精確計(jì)算，雖然計(jì)算結(jié)果有一定的偏差，但與實(shí)際施工的期望索力值接近，影響較小，且模擬計(jì)算分析技術(shù)的拱軸線與預(yù)期拱軸線最接近，說(shuō)明該施工技術(shù)具有良好的施工效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣西平南三橋的拱肋吊裝為研究背景，對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋節(jié)段架設(shè)施工、扣索索力問(wèn)題進(jìn)行了研究?；炷凉嘧r(shí)，南岸和北岸拱肋橫向偏位基本一致，拱肋失穩(wěn)可能性降低。通過(guò)計(jì)算扣索索力，對(duì)比仿真計(jì)算分析技術(shù)、零彎矩法和零位移法的索力值，得到零彎矩法和零位移法的索力值誤差較大，而仿真計(jì)算分析技術(shù)索力值誤差較小。在拱肋拱軸線形偏差研究中，分析了三種技術(shù)的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真計(jì)算分析技術(shù)設(shè)計(jì)的拱軸線與期望拱軸線最為接近，說(shuō)明施工效果較好。

通過(guò)模擬分析大跨度鋼管混凝土拱橋的施工過(guò)程，能夠解決節(jié)段架設(shè)和索力計(jì)算問(wèn)題，有效保障拱橋的施工質(zhì)量。但受建筑環(huán)境及一些外部因素的影響，仍有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步探討：

（1）對(duì)于大跨度鋼管混凝土拱橋，盡管全部采用了膨脹混凝土，但密實(shí)性仍難以保證。研究結(jié)果表明，如果混凝土不密實(shí)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力將大大降低。

（2）受溫度變化影響，鋼管內(nèi)溫度在溫度荷載作用下快速發(fā)生變化，而鋼管混凝土的溫度變化較慢，導(dǎo)致鋼管應(yīng)力增大，會(huì)產(chǎn)生二次溫度應(yīng)力，使混凝土應(yīng)力降低。因此，對(duì)大跨徑鋼管混凝土拱橋應(yīng)力分析應(yīng)考慮溫度荷載作用的影響。

（3）目前，鋼管混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的理論基礎(chǔ)是室內(nèi)試驗(yàn)，針對(duì)戶(hù)外鋼管混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系還不夠成熟，需要進(jìn)一步深入研究。

（4）針對(duì)大跨徑鋼筋混凝土拱橋拱肋建設(shè)，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范其設(shè)計(jì)和施工方案。增加對(duì)膨脹混凝土收縮徐變特性的研究，尤其是長(zhǎng)期荷載作用下的收縮徐變模型，確保建筑質(zhì)量。

[1]吳海軍、何 立、王邵銳，等.基于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法的大跨鋼管混凝土拱橋拱肋線形控制方法[J].橋梁建設(shè)，2020（6）：23-29.

[2]朱志鋼，周 文，張立軍，等.青藏高原峽谷大跨度鋼管拱橋拱肋施工關(guān)鍵技術(shù)[J].施工技術(shù)，2019（23）：11-16.

[3]李 杰、杜 鑫、張 波，等.多拱肋寬幅異形鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析[J].中外公路，2020（5）：114-121.

[4]夏修身，杜 騫，戴勝勇.大跨度鋼管混凝土拱橋抗震性能指標(biāo)研究[J].世界地震工程，2019，35（1）：112-118.

[5]關(guān)敬文，李麗琳，王楚杰.纜索吊裝新型組合塔架在吊點(diǎn)行走過(guò)程中的受力分析[J].公路，2019，64（12）：177-182.

[6]蔣海濤.高速鐵路連續(xù)梁拱橋小角度斜跨高速公路施工技術(shù)[J].世界橋梁，2019，47（5）：27-32.

[7]甄玉杰，李 艷.六肢格構(gòu)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)，2019，48（23）：46-49.

[8]涂光亞，袁 航.大跨度鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)鋼管應(yīng)力優(yōu)化研究[J].中外公路，2020（2）：150-153.

[9]周 文，汪仁華.淺析鋼管拱肋填充混凝土配合比設(shè)計(jì)與頂升施工[J].施工技術(shù)，2019，48（S1）：435-438.

[10]張 杰、嚴(yán)愛(ài)國(guó)、郭遠(yuǎn)航.主跨292 m非對(duì)稱(chēng)上承式拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2020（S1）：148-152.

[11]馮朝軍，周 文，朱志鋼.新建拉林鐵路藏木雅魯藏布江特大橋纜索吊機(jī)設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)，2019，48（5）：14-19.

[12]林春姣，黃家祥，李 翔.考慮遮擋的鋼管混凝土拱桁日照溫度場(chǎng)[J].中外公路，2020（1）：110-115.

[13]王偉民.單線大跨度簡(jiǎn)支鋼箱梁系桿拱設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑，2020（3）：18-21.

[14]闞浩鐘，閆振海，李 湛，等.基于BIM和三維激光掃描的鋼管拱肋拼裝檢測(cè)技術(shù)[J].施工技術(shù)，2019，48（6）：20-24.

[15]陳 佳，胡文軍.大跨度上承式鋼管混凝土拱橋整體穩(wěn)定性研究[J].鐵道建筑，2020（8）：21-24.