平南三橋不同封拱腳方案對(duì)比分析

韋建昌 秦大燕 杜海龍

摘要：平南三橋?yàn)橹骺?75m的中承式鋼管混凝土拱橋，其管徑大、吊重大、吊裝節(jié)段數(shù)多，如果采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，會(huì)導(dǎo)致施工過程中線形和各扣索索力均勻性較差。為確定合理的封拱腳時(shí)機(jī)，確保施工安全，文章采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計(jì)算方法，從施工線形、扣索索力均勻性和拱圈應(yīng)力等幾個(gè)方面對(duì)三種封拱腳方案（單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳、單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳、單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳）進(jìn)行對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳方案的施工線形、各扣索索力均勻性和拱圈應(yīng)力等均較好，為最佳施工方案?；诖?，對(duì)第六段封拱腳施工方式下拱圈實(shí)測(cè)線形和目標(biāo)線形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了施工方式的合理性。

關(guān)鍵詞：拱橋;平南三橋;封拱腳方案;過程最優(yōu)，結(jié)果可控;線形

0 引言

平南三橋?yàn)橹骺?75m的中承式鋼管混凝土拱橋，其管徑大、吊重大、吊裝節(jié)段數(shù)多，如果采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，會(huì)導(dǎo)致施工過程中線形和各扣索索力均勻性較差。為確定合理的封拱腳時(shí)機(jī)，確保施工安全，本文采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”一次張拉施工優(yōu)化計(jì)算方法，從施工線形、扣索索力均勻性和拱圈應(yīng)力等幾個(gè)方面對(duì)以下三種封拱腳方案進(jìn)行了對(duì)比研究：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。

1 項(xiàng)目概況

平南三橋?yàn)榭鐝?75m的中承式CFST拱橋，矢跨比為0.25，拱軸線采用m=1.5倒懸鏈線。拱肋為變截面四肢桁架結(jié)構(gòu)，每片拱肋分為22個(gè)節(jié)段吊裝，總扣掛重量為9000t，最大節(jié)段吊裝重量為220t，采用纜索吊運(yùn)斜拉扣掛技術(shù)施工，采用每片拱肋連續(xù)吊裝兩節(jié)段橫移一次的吊裝方案[1-2]，如圖1所示。

整個(gè)吊裝過程中采用對(duì)稱吊裝施工，吊裝順序如圖2所示。對(duì)于大跨徑拱橋而言，由于拱肋節(jié)段數(shù)多，采用吊裝完所有拱肋節(jié)段再封拱腳的施工方式，即“先合龍，再封拱腳”，會(huì)使施工過程中的拱肋線形控制難度大，施工安全性較差。基于此，需選擇合理的拱圈封腳方案，本文主要討論三種不同封拱腳方案：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。選出最優(yōu)方案以確保施工安全。

2 主拱圈施工控制

2.1 建模參數(shù)和荷載工況取值

采用大型有限元軟件MidasCivil建模，拱肋節(jié)段和扣索分別采用梁?jiǎn)卧丸旒軉卧?，扣索采?860MPa15.2mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，彈性模量E=1.95×108kN/m2，其余各幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及扣索長(zhǎng)度的等效處理見文獻(xiàn)[2]。MidasCivil軟件建模中拱肋鋼材容重取為83.22kN/m3，經(jīng)計(jì)算，平南三橋主拱鋼材換算容重為1.06。各拱肋節(jié)段質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2.2 計(jì)算方法

現(xiàn)有鋼管混凝土拱橋施工控制方法主要有零彎矩法[3]、迭代法[4-5]、無應(yīng)力長(zhǎng)度法[6-7]和基于影響矩陣原理的優(yōu)化算法[8-9]等。零彎矩法視拱肋各節(jié)段的連接為腳接，基于力矩平衡原理計(jì)算各扣索索力。該方法計(jì)算原理簡(jiǎn)潔、高效，但忽略了吊裝的切線拼裝位移，且計(jì)算得到的扣索力有時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，導(dǎo)致扣索力計(jì)算失真。李傳夫、李術(shù)才等[5]以湖北某計(jì)算跨徑為430m的鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，將最?yōu)化計(jì)算理論引入正裝迭代法中，以此計(jì)算拱圈施工各扣索索力。徐岳、申成岳等[4]基于影響矩陣原理和正裝迭代計(jì)算理論，提出了改進(jìn)迭代法，并將該計(jì)算理論應(yīng)用于跨徑為248m的鋼管混凝土拱橋中，較傳統(tǒng)正裝法提高了計(jì)算效率。李開心、龔清盛等[7]將無應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算理論推廣應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的斜拉扣掛施工，并取得較好的計(jì)算效果。由于傳統(tǒng)的施工控制計(jì)算方法僅控制合龍松索后的線形，忽略了拱圈安裝施工過程中的線形和索力均勻性等問題。韓玉、秦大燕等[8]基于影響矩陣原理和最優(yōu)化計(jì)算理論，以合龍松索后線形為約束條件、各吊裝施工階段線形為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立拱圈一次張拉施工優(yōu)化計(jì)算方法。該方法應(yīng)用于跨徑320m的鋼管混凝土拱橋——馬灘紅水河特大橋的施工控制，通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了該計(jì)算方法具有良好的計(jì)算精度[8][10]。流程圖詳見圖3。

3 傳統(tǒng)封拱腳方案

傳統(tǒng)鋼管混凝土拱橋施工多采用“先合龍，后封拱腳”的施工方案，對(duì)于小跨徑拱橋而言，具有較好的適應(yīng)性，而對(duì)于吊重大、拱肋節(jié)段數(shù)多的大跨徑拱橋，施工線形控制難，施工風(fēng)險(xiǎn)較大?；诖?，本文以平南三橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎梦墨I(xiàn)[8]提出的一次張拉施工優(yōu)化計(jì)算方法，對(duì)“先合龍，再封拱腳”的施工方案開展研究。

3.1 拱圈線形

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，拱圈上游（A）和下游（B）以及南北兩岸索力和各控制點(diǎn)線形差別小，因而取南岸下游計(jì)算分析。取合龍松索后線形偏差為30mm，施工過程中各控制點(diǎn)線形偏差如圖4所示。從圖4可以看出，采用“先合龍，再封拱腳”的施工方式，施工過程中各控制點(diǎn)線形與目標(biāo)線形偏差達(dá)到382mm，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

3.2 各扣索索力均勻性

進(jìn)一步地，對(duì)拱圈施工過程中，各扣索均勻性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，拱圈施工過程中，各扣索索力變化較大，最大變化值達(dá)到300kN（4#扣索力），導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

4 不同封拱腳方案對(duì)比分析

由以上分析可知，采用傳統(tǒng)的“先合龍，再封拱腳”的施工方案，將導(dǎo)致施工過程中的線形和各扣索索力均勻性較差，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，需選擇合理的封拱腳時(shí)機(jī)。基于此，對(duì)以下三種封拱腳方案進(jìn)行

建模計(jì)算，分析各扣索索力均勻性、施工線形和拱圈應(yīng)力等情況：（1）單片拱肋兩岸各吊裝第四段后封拱腳;（2）單片拱肋兩岸各吊裝第六段后封拱腳;（3）單片拱肋兩岸各吊裝第八段后封拱腳。

4.1 各扣索索力對(duì)比分析

（1）各扣索索力均勻性

由圖7（a）可知，各封拱腳方案相鄰兩扣索索力均在100kN以內(nèi)波動(dòng)，各扣索索力變化平緩，均勻性較好。

（2）最大扣索力及配索（見表2）

由圖7（b）可知，在整個(gè)吊裝施工過程中，第六段封拱腳和第八段封拱腳相鄰兩索力均變化在200kN范圍內(nèi)，索力均勻性好。采用第四段封拱腳方案，第5號(hào)扣索和第6號(hào)扣索相差327kN，存在較大波動(dòng)性。表2進(jìn)一步表明，采用第四段封拱腳方案所需扣索數(shù)量略高于其他兩種封拱腳方案。

4.2 線形對(duì)比分析

[JZ][XCLL68.EPS;P][TS（][HT9.H][JZ]圖8 各控制點(diǎn)與目標(biāo)線形偏差圖（mm）[TS）]

由圖8可知，在整個(gè)吊裝施工過程中，三種封拱腳方案施工過程中線形與合龍松索后線形均合理。從線形精度考慮，第六段和第八段封拱腳方案的線形要優(yōu)于第四段封拱腳方案。

4.3 白噪音試驗(yàn)

引入幅值為30mm的白噪音，進(jìn)行了200次試驗(yàn)分析，其試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，采用第四段封拱腳方案，引入幅值30mm的白噪音，開展200次誤差實(shí)驗(yàn)分析，在松索成拱后分別被放大成為44mm，具有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

（1）三種封拱腳方案索力均勻性均較好，第六段封拱腳和第八段封拱腳方案各扣索配置數(shù)量相同，略低于第四段封拱腳方案的扣索數(shù)量。

（2）通過白噪音試驗(yàn)研究表明，第六段封拱腳方案和第八段封拱腳，變化幅度均很小。第四段封拱腳方案引入幅值為30mm的白噪音，在松索成拱后分別被放大成為44mm，具有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)。

在整個(gè)吊裝施工過程中，第四段封拱腳方案的線形、索力均勻性以及經(jīng)濟(jì)性均不及第六段封拱腳方案和第八段封拱腳方案，第六段封拱腳方案和第八段封拱腳方案的扣索數(shù)量、索力均勻性、線形精度均很接近。由于提前封拱腳有助于提高后續(xù)施工過程中的安全性，因此，實(shí)際施工采用單片拱肋兩岸各吊裝六段后封拱腳。

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