潘興良

中鐵七局集團(tuán)有限公司 河南 鄭州 450006

1 引言

鋼箱拱橋具有造型美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力性能良好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，近年來在我國(guó)橋梁領(lǐng)域快速發(fā)展。在鋼箱拱橋的施工中，拱肋架設(shè)是風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的關(guān)鍵工序，傳統(tǒng)拱肋架設(shè)方法有整體提升法、纜索吊機(jī)法、轉(zhuǎn)體施工法、支架法等[3-4]，其中，纜索吊因其效率高、適應(yīng)性廣、跨越能力強(qiáng)及對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在大跨徑拱橋施工中應(yīng)用最為廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建及在建拱橋中約有60%采用纜索吊裝法施工[5]。

纜索吊系統(tǒng)安全性是保障拱肋架設(shè)順利實(shí)施的關(guān)鍵，目前針對(duì)纜索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工受力分析的研究已較為全面。黎卓勤等[6]設(shè)計(jì)了主扣合一的獨(dú)立式鋼管塔架，并通過實(shí)例論證了其可行性。劉巍等[7]設(shè)計(jì)采用雙向纜索吊裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了寬幅拱橋的無(wú)死角吊裝拼接。郭常瑞等[8]充分考慮承重索的滑移，建立了靜力平衡方程和迭代計(jì)算方程，更為準(zhǔn)確地計(jì)算了纜索吊跨中起吊高度。施洲等[9]考慮了主索滑移及塔架偏位，通過有限元模型分析了纜索施工支架非線性受力特征。孫九春等[10]利用有限元軟件建立仿真模型，分析了纜-拱-索-塔在整個(gè)施工過程中的力學(xué)特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效參考。

現(xiàn)有研究中的纜索吊系統(tǒng)大多采用對(duì)稱布置形式，且索塔為主塔、扣塔分離結(jié)構(gòu)，各體系均具有良好的獨(dú)立工作條件，而少有研究關(guān)注到主扣塔合一的復(fù)雜受力特點(diǎn)。本文以新灘溪特大橋?yàn)楸尘埃罁?jù)大橋所處地形、地貌、地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)單索塔不對(duì)稱式纜索吊系統(tǒng)和主扣塔一體化索塔，并基于上述研究對(duì)纜索吊裝系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，為纜索吊系統(tǒng)布設(shè)和鋼箱拱橋拱肋架設(shè)提供了先決條件。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

新灘溪特大橋位于水富至綏江二級(jí)公路新灘溪道路修復(fù)工程段，是為跨越新灘溪淹沒區(qū)而設(shè)的重要控制性工程。大橋設(shè)計(jì)采用中承式鋼箱拱橋，橋面全長(zhǎng)179.45 m，寬10 m，矢高37.778 m，矢跨比1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.37。全橋拱肋計(jì)算跨徑170 m，采用等截面鋼箱型截面，寬度2.0 m，高度3.0 m（內(nèi)輪廓），全橋拱肋設(shè)五道I型風(fēng)撐，兩片拱肋通過5道一字型風(fēng)撐連為一體，大橋總體布置如圖1所示。

圖1 大橋總體布置圖

2.2 工程難點(diǎn)

新灘溪特大橋所處區(qū)屬河流侵蝕堆積地貌，地勢(shì)起伏較大，地質(zhì)復(fù)雜，上覆第四系覆蓋層厚度變化大，下伏巖體為灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，受地質(zhì)構(gòu)造影響，其風(fēng)化差異明顯，造成巖體破碎、巖層軟硬不均，施工場(chǎng)地狹小，索塔布置困難。橋梁跨越向家壩水庫(kù)區(qū)溝谷段，在蓄水期溝谷水位較高，給纜索吊施工與拱肋架設(shè)帶來了極大的不便。

3 纜索吊方案設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)詳細(xì)的地質(zhì)勘查報(bào)告發(fā)現(xiàn)，新灘溪特大橋水富岸橋臺(tái)一側(cè)地形較平緩，而綏江岸橋臺(tái)一側(cè)自然坡度陡。為充分利用地形地貌條件，大橋拱肋架設(shè)采用單索塔不對(duì)稱式布置的無(wú)支架纜索吊系統(tǒng)，在水富岸一側(cè)布置主扣塔一體化索塔，綏江岸則利用山體的巖錨技術(shù)將地錨設(shè)置在隧道洞頂?shù)纳襟w上。纜索吊裝系統(tǒng)總體布置如圖2所示。

圖2 纜索吊裝系統(tǒng)總體布置

3.2 纜索吊系統(tǒng)組成

新灘溪特大橋纜索吊系統(tǒng)由主索、工作索、索塔及錨固體系等部分組成，具體內(nèi)容如下：

（1）主索。全橋設(shè)計(jì)兩組主索，布置于拱肋正上方，主索設(shè)計(jì)跨徑為120 m+260 m，橫向間距12.6 m，纜索在施工中的最大荷載垂度為18.7 m，垂跨比為1/14，最大吊重300kN。

（2）工作索。工作索主要包含起重索、牽引索、纜風(fēng)索、扣索等部分。起重索與牽引索布置在兩拱肋上方靠?jī)?nèi)側(cè)位置，以保證工作吊籃能夠上下起吊；纜風(fēng)索分別布置于索塔高度26 m處、38 m處和索塔頂，通過上下三層纜風(fēng)繩有效控制塔架位移和拱肋偏位，提高索塔穩(wěn)定性；扣索設(shè)計(jì)采用破斷強(qiáng)度為1860MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，由于大橋每半跨拱肋分為10個(gè)吊裝節(jié)段，故設(shè)計(jì)采用交替布置的5組臨時(shí)扣索和5組永久扣索來避免扣索間產(chǎn)生相互干擾，以保障結(jié)構(gòu)安全。其中，臨時(shí)扣索可循環(huán)使用，采用4根鋼絞線張拉設(shè)置，永久扣索則根據(jù)設(shè)計(jì)方案采用不同根數(shù)的鋼絞線張拉設(shè)置。

（3）索塔。通過實(shí)地考察地形地貌，設(shè)計(jì)僅在水富岸一側(cè)設(shè)置主扣塔一體化索塔，以解決施工場(chǎng)地狹小的問題，并通過設(shè)置鉸支座消除主扣塔高差與塔架偏位對(duì)纜索吊系統(tǒng)安全性的影響。索塔設(shè)計(jì)高為64.04 m，主塔架采用Q345鋼管作為主承重結(jié)構(gòu)，其中每半幅塔采用4根間距為3m×3m的立柱矩形布置，且立柱間采用鋼管桿件進(jìn)行水平與交叉斜撐布置，以構(gòu)成格構(gòu)體系，增強(qiáng)索塔穩(wěn)定性。

（4）地錨。水富岸主地錨布置于索塔后方120m處的路基上，扣索地錨分別布置于索塔后方52 m處和105 m處，錨碇均位于橋梁軸線上；綏江岸地錨采用山體巖錨，錨碇位于橋梁軸線方向隧道頂上，與水富岸索塔頂標(biāo)高一致。

4 纜索吊系統(tǒng)計(jì)算分析

4.1 扣索計(jì)算分析

新灘溪特大橋纜索吊系統(tǒng)采用主扣塔一體化索塔進(jìn)行布設(shè)，扣索索力的準(zhǔn)確計(jì)算可有效保障施工質(zhì)量與安全，對(duì)索塔及拱肋穩(wěn)定性具有重要意義。根據(jù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，該橋采用單肋合龍安裝方案，兩岸按順序?qū)ΨQ安裝，最后安裝合龍段。

采用Midas Civil軟件對(duì)單拱肋扣索進(jìn)行有限元分析，將其簡(jiǎn)化為平面桿系結(jié)構(gòu)，拱肋節(jié)段離散為梁?jiǎn)卧?，扣索采用桁架單元建模，其有限元模型如圖3所示。

圖3 扣索有限元模型

大橋每半跨拱肋分為1 0個(gè)吊裝節(jié)段，編號(hào)為CS01～CS10。拱肋安裝過程中，設(shè)置5組臨時(shí)扣索和5組長(zhǎng)久扣索，由拱腳向拱頂依次編號(hào)，臨時(shí)扣索編號(hào)依次為T1、T3、T5、T7、T9，長(zhǎng)久扣索編號(hào)依次為T2、T4、T6、T8、T10。通過有限元法分別計(jì)算分析水富岸和綏江岸兩岸拱肋吊裝過程中各扣索的索力值，分析結(jié)果如表1、表2所示。

表1 水富岸扣索索力分析表

表2 綏江岸扣索索力分析表

通過上述計(jì)算分析可知，合龍段施工時(shí)其扣索力值最大，其中水富岸最大扣索力為771.0kN，安全系數(shù)為2.01；綏江岸最大扣索力為1018.9kN，安全系數(shù)為2.03。拱肋架設(shè)時(shí)各扣索安全系數(shù)均大于2.0，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTGT 3650-2020要求。

4.2 索塔計(jì)算分析

大橋索塔采用主扣塔合一的結(jié)構(gòu)形式，受力復(fù)雜，而其作為纜索吊系統(tǒng)中的主要承重構(gòu)件，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與施工質(zhì)量和安全息息相關(guān)。因此，準(zhǔn)確計(jì)算分析其受力特性至關(guān)重要。運(yùn)用Midas Civil有限元軟件對(duì)索塔進(jìn)行模擬分析，模型節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)311，單元數(shù)量470個(gè)，塔架纜風(fēng)索采用只受拉桁架單元，其余均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行數(shù)值模擬分析，塔底部采用固結(jié)約束，索塔有限元模型如圖4所示。

圖4 索塔有限元模型圖

4.2.1 索塔強(qiáng)度分析

索塔在各工況下受到自重、主索、扣索、起重索、牽引索、纜風(fēng)索及縱向風(fēng)力的共同作用，根據(jù)橋區(qū)風(fēng)力研究成果與《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T 3360-01-2018計(jì)算橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為28.2m/s。分別對(duì)不同位置拱肋節(jié)段吊裝時(shí)索塔的受力情況進(jìn)行計(jì)算分析，工況一：跨中重載狀態(tài)；工況二：安裝1號(hào)節(jié)段，即CS01施工階段。索塔受力情況如表3所示。

表3 索塔受力情況

由表3數(shù)據(jù)可以看出，索塔豎向力在跨中重載情況下（工況一）最大，索塔構(gòu)件強(qiáng)度、剛度由荷載工況一控制。表中水平力出現(xiàn)負(fù)值表示塔柱向跨中偏移，可利用扣索和風(fēng)纜承擔(dān)索塔上的不平衡水平力，以增強(qiáng)索塔的安全性。進(jìn)一步利用有限元法對(duì)塔架的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，在強(qiáng)度計(jì)算荷載組合工況下，主塔架承重鋼管組合應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，主塔架水平桿、斜聯(lián)桿組合應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 塔架承重鋼管組合應(yīng)力云圖

圖6 塔架水平桿、斜聯(lián)桿組合應(yīng)力云圖

分析圖5、圖6可知，主塔架承重鋼管最大壓應(yīng)力為136.7MPa＜[f]=305MPa，主塔架水平桿、斜聯(lián)桿最大拉應(yīng)力為54.2MPa＜[f]=215MPa，索塔構(gòu)件強(qiáng)度均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017的要求。

圖6 索塔前4階失穩(wěn)模態(tài)

4.2.2 索塔穩(wěn)定性分析

索塔的一體化將會(huì)加劇塔架的失穩(wěn)變形，采用線性屈曲理論對(duì)該索塔進(jìn)行特征值穩(wěn)定分析，在自重、主索、牽引索、起重索、纜風(fēng)索、扣索等作用下進(jìn)行索塔整體穩(wěn)定性分析計(jì)算。索塔在不變荷載和可變荷載工況組合下，前4階失穩(wěn)模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，索塔1階失穩(wěn)模態(tài)至4階失穩(wěn)模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)分別為5.6、31.8、34.5、35.3，1階失穩(wěn)系數(shù)大于3，即塔架有較高的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，塔架整體穩(wěn)定性滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTGT 3650-2020的要求。

5 纜索吊系統(tǒng)施工研究

5.1 施工流程

新灘溪特大橋采用無(wú)支架纜索吊系統(tǒng)進(jìn)行施工，纜索吊系統(tǒng)為單索塔不對(duì)稱式布置，即只在水富岸橋臺(tái)處設(shè)置索塔，綏江岸直接錨固在隧道洞頂上方的山體上。鋼箱拱肋、風(fēng)撐、吊桿、格構(gòu)梁、橋面板等構(gòu)件均采用纜索吊系統(tǒng)安裝。纜索吊系統(tǒng)的施工流程如圖7所示。

圖7 纜索吊施工流程

5.2 施工要點(diǎn)

5.2.1 索塔施工

索塔構(gòu)件主要分為立柱鋼管、斜撐及橫撐格構(gòu)桿件、交叉橫向連接桿件，所有構(gòu)件單元均在廠內(nèi)生產(chǎn)加工，后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝安裝，且每個(gè)構(gòu)件端頭均設(shè)置法蘭盤，以便于現(xiàn)場(chǎng)施工。索塔底部作為受力薄弱位置，通過設(shè)置斜撐和橫連桿來提高索塔的穩(wěn)定性，且為了控制索塔的水平位移，分別在索塔上設(shè)置三層纜風(fēng)繩，以承擔(dān)索塔的不平衡水平力，保障索塔的安全性。

5.2.2 扣索施工

根據(jù)拱箱安裝節(jié)段劃分，全橋拱肋共計(jì)42個(gè)吊裝節(jié)段，每側(cè)設(shè)置10個(gè)扣段吊裝合龍，鑒于纜索吊系統(tǒng)采用主扣塔一體化索塔，索塔空間有限，故設(shè)置5組可循環(huán)使用的臨時(shí)扣索和5組永久扣索交替布置，以避免扣索間相互影響?？鬯鞯膹埨⒎潘砂凑辗旨?jí)、對(duì)稱、同步的原則進(jìn)行，以標(biāo)高控制為主，同時(shí)兼顧索力。為了有效控制扣索的安裝精度，每一扣段安裝后需及時(shí)進(jìn)行調(diào)索作業(yè)，包括拱肋軸線、拱肋高程的調(diào)整，以避免拱肋線形與標(biāo)高的誤差過大，影響結(jié)構(gòu)安全。

5.2.3 纜索吊系統(tǒng)試吊

纜索吊系統(tǒng)安裝后，需進(jìn)行試吊檢驗(yàn)其工作性能，確保纜索吊系統(tǒng)可順利投入施工使用。試吊項(xiàng)目包括空車調(diào)試、靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)三部分，通過空車調(diào)試檢驗(yàn)纜索吊系統(tǒng)安裝誤差及設(shè)備性能狀況；通過靜載試驗(yàn)對(duì)纜索吊系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，并采用逐步加載的方式進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，檢驗(yàn)纜索吊系統(tǒng)各部位的受力情況。通過纜索吊試吊工作全面檢驗(yàn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性，為新灘溪特大橋拱肋架設(shè)高效施工提供了有利保障。

5.2.4 鋼箱拱吊裝施工

拱肋吊裝由工廠加工成吊裝節(jié)段，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后從綏江岸橋臺(tái)處起吊安裝，全橋拱肋架設(shè)均采用纜索吊系統(tǒng)，且按照兩點(diǎn)抬吊、正吊正扣、斜拉扣掛、懸拼小豎轉(zhuǎn)的原則進(jìn)行吊裝施工。拱肋安裝由拱腳向跨中對(duì)稱、同步安裝，待左、右幅同一節(jié)段安裝就位后，及時(shí)連接臨時(shí)橫撐以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并采用扣索和纜風(fēng)索進(jìn)行固定。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以新灘溪特大橋?yàn)楸尘?，充分利用橋區(qū)所處地形地貌，設(shè)計(jì)了一套纜索吊系統(tǒng)，通過建立有限元模型分析扣索、索塔等系統(tǒng)的受力特征及安全性，為后續(xù)纜索吊施工與拱肋架設(shè)提供理論與實(shí)踐支撐。具體的研究結(jié)果如下：

(1)根據(jù)大橋橋址地形、地貌、工程地質(zhì)條件，纜索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單索塔不對(duì)稱式布置，僅在水富岸一側(cè)設(shè)置主扣塔一體化索塔，節(jié)約施工場(chǎng)地，減少了塔架設(shè)備的投入，提高施工效率。

(2)為避免扣索之間相互影響，每側(cè)拱肋設(shè)置5組永久扣索、5組可循環(huán)使用的臨時(shí)扣索，通過有限元分析得出所有扣索的安全系數(shù)均大于2，扣索安全性良好。

(3)索塔采用主扣塔一體化結(jié)構(gòu)，索塔構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度由跨中重載情況控制，在荷載組合工況下，索塔的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，且有一定的安全余量。

(4)基于工程重難點(diǎn)與纜索吊施工流程詳細(xì)分析了纜索吊系統(tǒng)的施工要點(diǎn)，保障纜索吊施工安全，為后續(xù)類似工程施工提供了一定參考。