常兆峰

(中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450052)

高速鐵路對橋梁結(jié)構(gòu)不僅要求剛度大，而且對結(jié)構(gòu)變形和動(dòng)力性能要求也非常嚴(yán)格[1]，連續(xù)梁拱組合橋?qū)⑦B續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系和拱式結(jié)構(gòu)體系結(jié)合，增大了高速鐵路梁式橋的跨越能力；同時(shí)，梁拱組合結(jié)構(gòu)具有整體受力特性好、結(jié)構(gòu)剛度大等優(yōu)點(diǎn)，因此，越來越成為一種具有競爭力的橋型[2-5]。

對于鋼管拱肋的安裝，通常采用現(xiàn)場安裝、預(yù)制平移以及轉(zhuǎn)體等方法，具體施工方法的采用需根據(jù)現(xiàn)場條件及設(shè)計(jì)要求確定。文獻(xiàn)[6]介紹梁拱組合橋的豎轉(zhuǎn)體系、錨固系統(tǒng)、纜索吊裝系統(tǒng)、豎轉(zhuǎn)實(shí)施及其施工要點(diǎn)等；文獻(xiàn)[7]研究了梁拱組合橋的豎轉(zhuǎn)施工方案和塔架兩側(cè)的扣錨點(diǎn)的錨固問題；此外還有一些學(xué)者對拱肋豎轉(zhuǎn)施工方案[8]、豎轉(zhuǎn)提升工藝下拱肋體系轉(zhuǎn)換[9]等進(jìn)行了分析研究。轉(zhuǎn)體施工方法需要輔助臨時(shí)施工措施相對較多且技術(shù)難度大，本文以某高速鐵路特大梁拱組合橋?yàn)楣こ桃劳校⒕?xì)有限元模型，針對豎轉(zhuǎn)過程中的拱肋及塔架進(jìn)行受力分析。

1 工程概況

本文算例橋梁為某高速鐵路特大橋，主橋采用74 m+160 m+74 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結(jié)構(gòu)體系，主梁為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁面寬度為14.2 m。主跨為160 m，立面位于6‰縱坡上，吊桿與梁面垂直，見圖1。該特大橋施工過程由于受周圍環(huán)境限制且考慮安全因素，設(shè)計(jì)方案為首先在連續(xù)梁中跨搭設(shè)支架現(xiàn)場拼裝兩側(cè)拱肋，拼裝完成后進(jìn)行豎轉(zhuǎn)就位。豎轉(zhuǎn)施工是該建設(shè)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。兩側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)時(shí)的最大拉升高度以拱肋豎轉(zhuǎn)軌跡不干涉、保證精確合龍為原則。為保障合龍精度，兩側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)高度應(yīng)超過設(shè)計(jì)高程，轉(zhuǎn)體到位后落拱合龍。

拱肋豎轉(zhuǎn)體系：由豎轉(zhuǎn)塔架(由塔身、索鞍、連接系組成)，平衡索、提升索、動(dòng)力系統(tǒng)、攬風(fēng)繩等組成。塔架設(shè)計(jì)方案：塔架立柱采用?530 mm×10 mm鋼管，平桿、斜桿均采用∟140焊接。塔架位于拱座內(nèi)側(cè)，一側(cè)腿立于拱座上，塔架高度為48 m。每個(gè)塔柱由4節(jié)組成，兩塔柱距離為6.2 m，節(jié)間用法蘭連接。鋼管拱肋豎向轉(zhuǎn)體施工方案及塔架構(gòu)造分別如圖1和圖2所示。

圖1 鋼管拱豎轉(zhuǎn)立面圖

塔頂索鞍設(shè)計(jì)：塔頂索鞍為輥軸式，每個(gè)索鞍輥軸5個(gè)。塔頂分配梁采用雙拼I56I32型鋼，索鞍采用16 mm厚鋼板、采用45號鋼?50 mm輥軸、輥輪材料為鑄鋼、輪軸與輥輪間襯銅軸套，并采用精軋螺紋鋼筋進(jìn)行錨固。

圖2 塔架立面圖(單位：mm)

后錨點(diǎn)位置設(shè)計(jì)：后錨點(diǎn)主要包括預(yù)埋錨索、后錨梁錨箱，提供持續(xù)豎轉(zhuǎn)動(dòng)力的千斤頂位于錨箱當(dāng)中。提升索與鋼管拱連接點(diǎn)設(shè)計(jì)：提升索與鋼管拱利用拉點(diǎn)連接，采用鋼板及預(yù)應(yīng)力錨環(huán)組焊形成扣點(diǎn)。鋼板穿過上弦管設(shè)計(jì)。提升索設(shè)計(jì)：提升索采用?15.24 mm的1 860 MPa高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，豎轉(zhuǎn)提升索每束由24根鋼絞線組成。

拱肋豎轉(zhuǎn)施工方案：在橋上拼裝完兩個(gè)半拱后進(jìn)行豎轉(zhuǎn)施工，豎轉(zhuǎn)角度為左側(cè)20.2°和右側(cè)15.0°。豎轉(zhuǎn)施工順序：先豎轉(zhuǎn)右側(cè)端再豎轉(zhuǎn)左側(cè)端，內(nèi)設(shè)導(dǎo)向裝置導(dǎo)向合龍，留龍口不設(shè)合龍段，龍口寬度30 mm。為確保先豎轉(zhuǎn)的右側(cè)半拱不妨礙后豎轉(zhuǎn)的左側(cè)半拱豎轉(zhuǎn)，右側(cè)半拱前端提升高度應(yīng)高于設(shè)計(jì)標(biāo)高2.2 m，同樣方式豎轉(zhuǎn)左側(cè)半孔主拱至設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5 m；然后右側(cè)半拱下放至設(shè)計(jì)高度0.5 m(與左側(cè)半拱平齊，導(dǎo)向楔形鋼板對正對面弦桿鋼管，開始起導(dǎo)向糾偏作用)；最后，左側(cè)、右側(cè)兩半拱同時(shí)同速度下落至設(shè)計(jì)高度。

拱肋豎轉(zhuǎn)施工流程見圖3。

按照現(xiàn)場實(shí)際情況，根據(jù)豎轉(zhuǎn)過程中拱肋拱頂標(biāo)高的變化，將拱肋豎轉(zhuǎn)的整個(gè)施工過程劃分為以下幾種施工工況，見表1。

2 有限元模型的建立

在塔架、拱肋有限元模型建立的過程中，單元的類型、構(gòu)件的模擬、邊界條件的處理是否準(zhǔn)確，直接關(guān)系著計(jì)算結(jié)果的可靠性。本文在有限元模擬過程中考慮到拱肋線形、豎轉(zhuǎn)過程受力變化以及局部受力分析，采用ANSYS通用有限元軟件建立鋼管拱肋吊裝過程有限元模型；由于塔架各構(gòu)件均為直線形且僅在頂部承受水平力及豎向力作用，考慮塔架結(jié)構(gòu)形式及受力狀態(tài)，塔架采用Midas Civil建立有限元模型，各桿件采用梁單元進(jìn)行模擬。

圖3 豎轉(zhuǎn)拱肋提升施工流程

表1 施工工況的劃分 m

施工工況左側(cè)拱頂標(biāo)高(大拱)右側(cè)拱頂標(biāo)高(小拱)工況一159.578166.384工況二160.987167.285工況三161.543168.370工況四162.112169.334工況五163.758170.271工況六164.031171.279工況七164.978172.179工況八165.687172.407工況九166.125173.847工況十167.346174.975工況十一168.360176.281工況十二169.452177.989工況十三170.371179.961工況十四172.348180.035工況十五172.512181.865工況十六174.453182.589工況十七176.379183.696工況十八178.531184.742工況十九180.943185.495工況二十181.566185.902工況二十一182.267186.115工況二十二184.444186.144工況二十三183.944183.944

拱肋建模過程中，鋼管以及前拉點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用Shell181單元模擬；采用Link10單元模擬提升索；前拉點(diǎn)的銷軸與銷孔的連接采用只受壓的Link10單元模擬兩者之間的非線性接觸行為。結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

圖4 拱肋豎轉(zhuǎn)有限元模型

塔架建模過程中按照等效的原則，根據(jù)鋼管拱肋吊裝過程ANSYS有限元模型計(jì)算結(jié)果，將扣索索力(與起重索相同)施加在塔架模型的對應(yīng)位置，并按照施工現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)定邊界條件，施工過程中索力值如表2所示。根據(jù)塔架設(shè)計(jì)及各構(gòu)件布置形式，塔架受力主要為提升索(起重索及扣索)在轉(zhuǎn)體過程中施加于塔頂?shù)暮奢d，當(dāng)塔架發(fā)生水平位移時(shí)平衡索承擔(dān)相應(yīng)荷載。平衡索用于平衡提升索塔頂水平力，對塔架受力有利，且有利于保證轉(zhuǎn)體過程中塔架的安全性，偏于安全考慮，實(shí)際建模過程中不考慮平衡索的有利作用，計(jì)算時(shí)起重索及扣索引起的水平力全部由塔架承擔(dān)。

表2 施工過程中索力值 kN

施工工況索力施工工況索力工況一1 461.0工況五1 390.0工況十一1 321.0工況十五1 251.8工況二十1 151.9工況二十三1 177.9

3 豎轉(zhuǎn)過程拱肋應(yīng)力分析

隨著豎轉(zhuǎn)施工推進(jìn)，拱肋高度不斷變化，其中拱肋整體脫架(工況一)與拱肋豎轉(zhuǎn)就位(工況二十三)為兩個(gè)典型施工狀態(tài)，其中拱肋整體脫架時(shí)受力最大，為最不利狀態(tài)。以左側(cè)拱肋為例，兩種典型狀態(tài)下拱肋變形及應(yīng)力見圖5和圖6。

圖5 拱肋脫架狀態(tài)受力分析

拱肋整體脫架時(shí)懸臂端上撓位移37.89 mm，前吊點(diǎn)與拱腳間拱肋最大豎向位移51.75 mm。拱肋鋼管最大應(yīng)力為71.19 MPa，最大值位于前吊點(diǎn)附近，拱肋采用Q345B鋼，設(shè)計(jì)容許擠壓應(yīng)力為315 MPa，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。由于本工程拱肋長度較大，豎轉(zhuǎn)過程中拱肋為空鋼管，且在支架拼裝，支撐點(diǎn)8個(gè)(拼裝支架按單點(diǎn)支撐考慮)，拱肋脫架時(shí)僅有拱腳支撐及端部扣索作用，豎轉(zhuǎn)過程中拱肋完全脫架臨界狀態(tài)變形較大。

圖6 拱肋就位狀態(tài)受力分析

拱肋豎轉(zhuǎn)就位時(shí)拱肋鋼管最大應(yīng)力為63.43 MPa，最大值位于前吊點(diǎn)附近。

4 豎轉(zhuǎn)過程塔架應(yīng)力分析

隨著拱肋的提升施工，塔架受力不斷變化，通過監(jiān)測塔架應(yīng)力，實(shí)時(shí)分析評估塔架在豎轉(zhuǎn)過程各構(gòu)件的受力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)的安全性。

4.1 塔架應(yīng)力測點(diǎn)布置

在模型中提取施工過程中各種工況下各構(gòu)件應(yīng)力及其變化規(guī)律。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，豎轉(zhuǎn)過程中塔架底部、變截面位置、首層橫撐底部受力較大，在豎轉(zhuǎn)過程中塔架應(yīng)力較大的薄弱位置布置應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測拱豎轉(zhuǎn)過程中塔架關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化情況。應(yīng)力測點(diǎn)共18個(gè)，如圖7所示。

圖7 塔架測點(diǎn)布置

4.2 塔架各構(gòu)件理論應(yīng)力

拱肋豎轉(zhuǎn)過程中拱肋整體脫架時(shí)塔架壓應(yīng)力最大，為最不利狀態(tài)。根據(jù)有限元分析，取豎轉(zhuǎn)過程中拱肋脫架及就位兩個(gè)典型工況下塔架各測點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖8。

4.3 塔架應(yīng)力測試結(jié)果

鋼管拱豎轉(zhuǎn)過程中，塔架各應(yīng)力測點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)采集，以左側(cè)塔架2號和8號測點(diǎn)為例，塔架應(yīng)力實(shí)測值與理論值變化情況如圖9和圖10所示。

由圖9可知，2號測點(diǎn)在第1施工階段時(shí)出現(xiàn)最大理論應(yīng)力為-57.5 MPa，2號測點(diǎn)在第20施工階段時(shí)出現(xiàn)最小理論應(yīng)力為-49.2 MPa； 2號測點(diǎn)在第1施工階段出現(xiàn)最大實(shí)際應(yīng)力為-49.5 MPa，約為理論應(yīng)力值的86.1%，在第20施工階段時(shí)出現(xiàn)最小實(shí)際應(yīng)力為-39.0 MPa，約為理論應(yīng)力的79.3%。由圖10可知，8號測點(diǎn)在第1施工階段時(shí)出現(xiàn)最大理論應(yīng)力為-63.2 MPa，在第20施工階段時(shí)出現(xiàn)最小理論應(yīng)力為-54.8 MPa；8號測點(diǎn)在第1施工階段出現(xiàn)最大實(shí)際應(yīng)力為-56.0 MPa，約為理論應(yīng)力的88.6%，在第20施工階段時(shí)出現(xiàn)最小實(shí)際應(yīng)力為-49.3 MPa，約為理論應(yīng)力的90.0%。隨著施工的逐步進(jìn)行，提升索的索力值先減小后增大，塔架豎向分力及理論應(yīng)力值變化趨勢相同。根據(jù)塔架應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，塔架實(shí)際應(yīng)力的變化趨勢與理論應(yīng)力的變化趨勢一致，表明鋼管拱豎轉(zhuǎn)過程中，塔架受力變化規(guī)律與理論預(yù)測一致。為確保豎轉(zhuǎn)過程中拱肋的施工安全，實(shí)際施工過程中，未考慮平衡索的有利作用，塔架底部鋼管填充了一定高度的C50混凝土，且塔架變截面處加設(shè)了綴板，塔架整體剛度增大，兩側(cè)塔架實(shí)際應(yīng)力值均較小于理論應(yīng)力值。

圖8 各塔架應(yīng)力

圖9 2號測點(diǎn)應(yīng)力

圖10 8號測點(diǎn)應(yīng)力

5 結(jié)論

(1)由于豎轉(zhuǎn)過程拱肋及塔架受力影響因素較多，且受力狀態(tài)不斷變化，作為豎轉(zhuǎn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，應(yīng)對豎轉(zhuǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(2)拱肋豎轉(zhuǎn)過程中受力狀態(tài)不斷變化，拱肋脫架時(shí)拱肋及塔架承受荷載最大，為最不利狀態(tài)。

(3)根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場測試結(jié)果，由于豎轉(zhuǎn)過程中千斤頂行程改變及平衡索調(diào)整，實(shí)測應(yīng)力略小于理論應(yīng)力，但整體較為吻合且變化趨勢一致，應(yīng)力值較小，整個(gè)豎轉(zhuǎn)過程未發(fā)生應(yīng)力突變及局部失穩(wěn)現(xiàn)象，塔架處于安全狀態(tài)。