大跨徑鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工設(shè)計(jì)計(jì)算分析

岳建彬 楊靚 李昊 劉再德

摘要：纜索吊裝施工技術(shù)在鋼管混凝土拱橋施工過程中應(yīng)用廣泛。為確保施工安全及拱肋線型，文章以衡陽縣蒸水靈瑞寺（清江）大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)纜索吊裝施工過程中主索的最大拉應(yīng)力、最大垂度與吊裝過程中的控制垂度、索塔的高度及扣索的拉力的計(jì)算方法進(jìn)行分析，以保證施工的安全和拱肋的線形。

關(guān)鍵詞：纜索吊裝施工;鋼管混凝土拱橋;主索;扣索;計(jì)算方法

0 引言

鋼管混凝土拱橋因其特有的結(jié)構(gòu)形式，使鋼筋和混凝土的優(yōu)劣勢(shì)能夠互補(bǔ)和發(fā)揮。纜索吊裝的施工技術(shù)具有適用性好、設(shè)備調(diào)運(yùn)方便、跨越能力大等優(yōu)勢(shì)，故在鋼管混凝土拱橋施工中得到了施工單位普遍的認(rèn)可[1]。通常來說，纜索吊裝施工技術(shù)的基本原理是將拱肋分成若干節(jié)段，每一節(jié)段通過纜索吊裝至對(duì)應(yīng)位置，之后通過扣索錨于塔架上，直至拱肋合龍后再拆除扣索達(dá)到目標(biāo)線形[2]。纜索吊裝施工過程中，主纜索力、垂度與扣索索力在各個(gè)施工階段都不同。主纜索力影響著施工過程的安全性，垂度影響著主索塔的高度與施工能否順利進(jìn)行，扣索索力影響著施工過程的安全性與拱肋的線形，因而對(duì)纜索吊裝施工的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算是非常重要的。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)?10 m跨提籃式拱橋，北引橋長(zhǎng)102 m，南引橋長(zhǎng)118 m，橋梁全長(zhǎng)436 m，主橋鋼拱肋采用纜索吊裝系統(tǒng)安裝。纜塔和扣塔做分離設(shè)計(jì)，全橋設(shè)2個(gè)索塔、4個(gè)扣塔。南側(cè)主索塔中心里程為K0+431.029，扣塔中心里程為K0+438.679;北側(cè)主索塔中心里程為K0+714.329，扣塔中心里程為K0+666.329。纜索吊裝總體布置如下頁圖1所示。

2 主索計(jì)算

纜索吊裝施工過程中，跑車的位置和起吊重量都在變化，因而主索拉力和垂度也在不斷變化。計(jì)算時(shí)，如需計(jì)算整個(gè)施工過程的主索應(yīng)力和垂度則過于復(fù)雜，因此對(duì)每個(gè)施工階段的主索控制應(yīng)力和控制垂度進(jìn)行計(jì)算即可。主要的計(jì)算內(nèi)容為主索最大拉應(yīng)力和最大垂度、跑車空載位于跨中時(shí)主索初始安裝張力和初始垂度、跑車在起吊平臺(tái)起吊拱腳節(jié)段時(shí)主索的張力和垂度、跑車位于各節(jié)段的安裝位置起吊相應(yīng)節(jié)段時(shí)主索的張力和垂度。

2.1 計(jì)算假定

（1）纜索自重荷載假定沿跨長(zhǎng)均布，屬于近似計(jì)算。

（2）按彈性變形理論計(jì)算，未考慮非彈性變形。

（3）懸索是絕對(duì)柔性，任一截面均不能承受彎矩。

（4）跑車處于某一平衡狀態(tài)，即對(duì)纜索做靜力平衡計(jì)算。

（5）不計(jì)跑車、滑輪和纜索之間的摩阻力。

2.2 主索最大張力和最大垂度

當(dāng)跑車吊重后，位于跨中平衡狀態(tài)，此時(shí)主索產(chǎn)生最大拉力，并控制主索設(shè)計(jì)。這里將主索的容許張力作為主索最大張力，來計(jì)算主索的最大垂度。

設(shè)主索的張力安全系數(shù)K=3.5，則主索的容許張力為：

Tmax=TnK=10×1 3803.5=3 942.9 kN，H≈Tmax

根據(jù)路橋施工計(jì)算手冊(cè)[3]，將水平力H帶入式（1）進(jìn)行求解，求得最大垂度為20.45 m，垂跨比為1/13.856，符合在L/13～L/18之間的一般經(jīng)驗(yàn)值。

2.5 主索塔架高度確定

2.5.1 北側(cè)主索塔架高度確定

因主索塔的中心相對(duì)于主橋中心線偏向北側(cè)（大里程方向），因此按吊裝北側(cè)拱肋時(shí)垂度控制設(shè)計(jì)。為保證施工過程的順利進(jìn)行，北側(cè)主索塔架高度應(yīng)同時(shí)滿足：起吊跨中拱肋時(shí)，跨過已吊裝完的拱肋節(jié)段和驗(yàn)算拱腳節(jié)段時(shí)的垂度，保證主索不與扣塔位置沖突，同時(shí)考慮0.3 m的施工安全距離。計(jì)算后，塔高采用90 m。

2.5.2 南側(cè)主索塔架高度確定

為減小牽引力，一般預(yù)制場(chǎng)一側(cè)的主索塔架稍為高一點(diǎn)，本工程預(yù)制場(chǎng)側(cè)主索塔架頂高度比對(duì)岸主索塔架頂高度高2 m，塔架高度為88 m。

3 扣索計(jì)算

每一節(jié)段吊裝完成后，均會(huì)對(duì)之前已經(jīng)張拉的扣索索力產(chǎn)生影響，故每完成一節(jié)段的吊裝，需對(duì)所有已安裝的扣索索力進(jìn)行調(diào)整。下面對(duì)各施工階段的扣索索力進(jìn)行計(jì)算，從而了解扣索索力的變化情況，對(duì)吊裝的安全進(jìn)行與拱肋的線形把控有著重要的作用?？鬯饔?jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.1 計(jì)算假定

（1）拱肋架設(shè)過程中，拱腳及拱肋接頭處視為鉸接，不承受彎矩。

（2）各拱肋節(jié)段剛度相對(duì)于扣索為無窮大，視為剛體。

（3）假定各拱肋節(jié)段的重心位于縱向的中心。

（4）因風(fēng)纜位置不確定，暫未計(jì)算風(fēng)纜對(duì)扣索拉力的影響，整體考慮1.1的系數(shù)。

（5）合龍段重量由兩側(cè)扣索各承擔(dān)一半。

3.2 扣索索力計(jì)算

根據(jù)假定，拱肋被分成了相互鉸接的節(jié)段，且各拱肋節(jié)段的重心位于縱向的中心，故可以采用簡(jiǎn)單的平面力系平衡，將拱肋的不同節(jié)段分離出來求解索力。在不同的施工階段，先根據(jù)拱肋接頭處彎矩M為0，計(jì)算當(dāng)前節(jié)段的扣索索力;然后根據(jù)拱肋接頭處∑X與∑Y均為0，計(jì)算接頭處的節(jié)點(diǎn)力;之后再計(jì)算上一節(jié)段的扣索索力，如此循環(huán)，直到計(jì)算到第一個(gè)節(jié)段?？鬯鞣侄斡?jì)算原理如圖3所示。經(jīng)過計(jì)算，扣索索力計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。并對(duì)扣索進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，均滿足要求。

注：（1）負(fù)數(shù)表示吊裝下一節(jié)段時(shí)，使得扣索的拉力變小;

（2）當(dāng)扣索合力為負(fù)數(shù)時(shí)，表示該扣索的張力為0;

（3）考慮到拱肋穩(wěn)定風(fēng)纜的作用和吊裝振動(dòng)，扣索受力乘以1.1的系數(shù);

（4）施工過程中要求每吊裝一段拱肋，在主纜卸力過程中調(diào)整全部扣索張力，確保全部受力均勻

4 結(jié)語

本文以某實(shí)際工程為例，對(duì)大跨徑鋼管混凝土拱橋鋼管拱肋纜索吊裝施工過程中主索和扣索的控制要素進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)對(duì)計(jì)算的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

（1）主索需進(jìn)行最大拉應(yīng)力和最大垂度的驗(yàn)算與吊裝過程中的控制垂度計(jì)算。之后，根據(jù)計(jì)算的垂度來計(jì)算主索塔的高度，以保證施工的安全和施工的順利進(jìn)行。

（2）扣索則將鋼拱肋看成由幾個(gè)剛體節(jié)段鉸接而成，根據(jù)平面力系平衡，求出各個(gè)節(jié)段吊裝結(jié)束后的該節(jié)段的扣索索力與前幾個(gè)節(jié)段扣索索力的變化，然后根據(jù)每個(gè)扣索在纜索吊裝施工過程中的最大索力進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，以保證施工的安全和拱肋的線形。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣 瑋，李莘哲.鋼管拱橋纜索吊裝施工中主索結(jié)構(gòu)狀態(tài)高精度計(jì)算[J].中外公路，2020，40（2）：123-126.

[2]顧 穎，姚昌榮，李亞東，等.大跨度鋼管混凝土拱橋安裝線形控制方法研究[J].橋梁建設(shè)，2014，44（1）：107-113.

[3]周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.