超高矢跨比拱桥拱肋吊装稳定性分析*

王 林 邢朝伟 王 芳

(江苏科技大学土木工程与建筑学院 镇江 212003)

超高矢跨比拱桥拱肋吊装稳定性分析*

王 林 邢朝伟 王 芳

(江苏科技大学土木工程与建筑学院 镇江 212003)

在考虑风荷载和温度荷载作用下,通过3种吊装方案对比分析研究拱肋的稳定性.结果显示,在施工中温度荷载对稳定性影响很小，而风荷载影响较大，方案3整体翻转吊装最为安全.最后对方案3中翻转提升支架稳定性进行分析，结构表明，满足施工安全稳定要求.

稳定性；风荷载；温度荷载；施工方案; 支架

随着钢箱拱桥矢跨比的增大、结构的纤细，拱肋的稳定性成为了制约拱桥跨径进一步增大和拱桥美观的最重要因素之一[1-2].在工程实际中, 对已发生的拱桥事故调查表明, 事故大多发生在拱桥的施工过程中, 尤其是以拱肋在施工过程中的失稳最为突出[3-4].在桥梁施工过程中, 桥跨结构体系受力关系的不断转换, 整体承载力尚未达到设计水平[5-7];钢箱拱桥自重轻，且施工工况不同于设计承载工况，结构处于未完成阶段，与成型结构相比刚度小，尤其在风荷载和温度荷载作用下，相对易发生失稳.因此，施工前必须做好方案设计，保证稳定性，安全施工.

1 算 例

1.1 工程概况

某大桥采用5跨连续中承式提篮拱桥，主桥共设置3孔拱肋，单孔2片拱肋间设置异性风撑，拱肋采用矩形拱肋钢箱截面，K10孔拱和K12孔拱为单箱单室断面，K11孔拱为单箱双室断面，拱肋为全钢焊结构，材质为Q345qE.见图1.

图1 整体效果图

本文主要研究K11孔拱的起吊，高度67 m, 净度130 m，矢跨比为1/1.940，拱肋钢箱高度3.5 m、宽3.8 m；顶、底板厚20 mm，腹板厚20 mm，拱肋在近拱脚位置局部顶板、底板、腹板加厚至30 mm，内部设置纵、横向加劲钢板和普通横隔板，在风撑对应位置，拱肋内部设置风撑横隔板.纵向加劲钢板厚16 mm.横向加劲钢板及横隔板在顺桥向的间距基本为1 500 mm、厚16 mm.有吊杆通过位置采用竖直布置的横隔板，厚25 mm.采用有限元软件Midas/civil模拟计算，共建节点2 586，梁单元30 339，吊索采用GB/T8918—1996《钢丝绳》中6×19-Φ32-1770型钢丝绳，其技术参数如表1.

表1 钢丝绳的技术参数

该工程施工难度大，地理位置复杂，环境恶劣，重量大，风速大，在施工中应当适时监控，对吊点，扣点，薄弱部位.

1.2 稳定系数

在拱桥施工和运营过程中，稳定系数是一项重要指数，现在通用的计算方法有

KU+KGU=P

式中:K为结构的弹性刚度矩阵；KG为结构的几何刚度矩阵；U为结构的节点位移向量；P为结构的外力向量.

当荷载不断增加，则结构位移会增大，小变形情况下，P增加λ倍时，几何刚度矩阵及杆端力增加λ倍，故

(K+λKG)U=λP

当λ足够大时结构达到随遇平衡状态(即当U=U+ΔU)上述公式满足

(K+λKG)(U+ΔU)=λP

同时满足以上2式的条件为：

(K+λKG)ΔU=0

该方程说明存在某个λ和相应的ΔU，荷载P为零时也能产生位移ΔU，这时结构失去了抵抗能力，也就丧失了稳定性.由ΔU有非零解得到：

|K+λKG|=0

上式为结构稳定问题的控制方程(特征值方程)，对应的稳定荷载为λP.当结构有n个自由度则有n个特征值，且最小的特征值λcr表示，即稳定系数

当λ>0时结构处于稳定状态，当λ=0时结构处于临界状态，当λ<0时结构处于失稳状态.

1.3 钢箱拱肋吊装方案

1.3.1 方案1 在桥址地面进行拱肋组合拼装(拱肋结构中心线与桥梁中心线重合)，成拱后垂直提升，在拱脚处设置合拢段与V型桥墩的预埋段焊接；钢箱拱肋安装施工流程如下.

桥位正下方地面进行场地硬化、胎架搭设；各拱肋节段运输到安装桥位后在胎架上节段卧拼成1/4拱，并进行焊接.

1) 组装提升塔架，翻转拱肋，并调整好偏转角度，把卧拼好的1/4拱肋立转至102.8°位置,并组装焊接横撑成1/2拱，此过程的稳定系数见图2，并在拱肋脚部各布置一台滑移小车，小车由卷扬机牵引，随拱肋提升内收.

2) 缓慢提升拱肋吊点高度，同时卷扬机牵引拱肋末端滑移.直至拱肋对接合拢，并完成拱肋、横撑合龙部位焊接，该过程的稳定性系数变化值见表2(Θ为拱顶拱角连线与水平面夹角).

3) 转换提升支架(拆除中间塔架，在拱脚四角位置安装4组塔架)，拆除拱脚部位滑移小车，然后进行缓慢提升.

4) 整体提升至V形桥墩位置，调整拱脚偏差，将拱脚与V形桥墩的预埋段焊接，然后拆除塔架等设备，拱肋补涂，安装完成，整体起吊时稳定系数见图3.

图2 1/4拱肋的翻转时的稳定性

图3 整体拱肋起吊时的稳定系数

工况Θ/(°)01020起立后合并后自重+风载+温度荷载5.4184.7453.7813.4113.3813.504自重+风荷载7.1794.7943.8193,4523.443.445自重+温度荷载5.5915.6725.7685.8465.9147.187

1.3.2 方案2 在桥梁中心线附近选择合理的塔架搭设位置，搭设一次性塔架(提升塔架的位置应满足能进行第一次将拱肋提升到准确的中间对接状态，又能完成中间对接后将拱肋提升到安装高度).在桥位地面进行进行1/2拱肋组拼(拱肋结构中心线与桥梁中心线重合)，将1/2拱肋垂直提升到设计高度，对拱肋、横撑合龙部位进行焊接，最后进行整拱提升，其余阶段施工流程均同方案一.此过程的稳定系数分别见图4、表3、图5.

图4 1/4拱肋翻转时的稳定系数

图5 整体拱肋起吊的稳定系数

工况Θ/(°)0102030起立后合并后 自重+风载+温度荷载0.48220.49200.4430.48220.69273.232自重+风荷载0.48230.49230.4430.48230.69293.238自重+温度荷载6.09905.41005.4005.20105.10409.952

1.3.3 方案3 在桥位地面进行单片拱肋整体组拼(拱脚位于V形墩斜腿顶面正下方).同时，在相邻2 V形墩中线上搭设2个一次性塔架，待单片拱肋焊接成型后通过塔架将两侧单片拱肋翻转至设计斜平面内(即均与水平面呈12.8°)，对拱肋、横撑合拢部位进行焊接.最后进行整体垂直提升，在拱脚处设置合拢段与V形桥墩的预埋段焊接.施工方案比选，见表4.

表4 施工方案比选

1) 桥位正下方地面进行场地硬化、胎架搭设；各拱肋节段运输到安装桥位后在胎架上节段卧拼成1/2拱，并进行焊接.

2) 通过塔架将两侧单片拱肋翻转至设计斜平面内(即均与水平面呈12.8°位置).此时拱肋的稳定系数见图6.

3) 对拱肋、横撑合龙部位进行焊接，使两片拱肋连成整体.

4) 通过塔架利用吊索将焊接风撑后的拱肋结构进行整体提升，直至拱脚提升到V形桥墩位置.此过程的稳定系数变化如图7.

5) 调整拱脚偏差，将拱脚与V形桥墩的预埋段焊接，然后拆除塔架等设备，拱肋补涂，安装完成.

图6 1/2拱肋翻转时稳定系数

图7 整体起吊时拱肋时稳定系数

2 整体提升起吊支架的稳定性分析

本提升支架采用常备万能杆件拼装焊接双柱门式塔结构，南、北岸支架总高度为110 m.宽度为7 m，支架中心距9 m主柱中心采用常备式万能杆件为共有节点834，单元3 875，柱子采用Q235圆管钢直径为0.5 m壁厚为0.05 m，柱子之间采用斜撑HW244×252，横梁采用HW344×348，风缆索采用直径为19 mm的钢丝绳，在横向联系梁中上弦杆采用Q345HN692×300，横向联系梁中的腹杆采用LH450×250.

在拱肋整体提升时，南、北两岸提升支架顶部各设2台5 000 kN千斤顶，1台40 L/ min流量的液压泵站，同时配备1台长距离传感器和1台长行程传感器，为了测定提升结构各点的高程，同时在每个千斤顶的下端安装安全锚，为了保证在翻转过程中千斤顶发生故障时，临时锚固吊索，方便维修或者更换千斤顶.

图8 拱肋提升支架模型

当拱肋整体提升时，支架顶部承受施工时的施工中整体荷载包括机械重力、施工荷载、拱肋的整体整重力荷载和风荷载.由于在施工中温度荷载对整体提升支架影响较小，可以忽略不计，施工的施工中的提升支架荷载工况共分为：(1) 工况一.支架在搭建完成后只承受自重影响，自重;(2) 工况二.支架搭建完成后，受到风荷载影响，自重+风荷载;(3) 工况三.拱肋正常整体起吊施工，吊索受到的拉力为施工荷载作用在支架顶部，自重+风荷载+施工中整体荷载;(4) 工况四.自重+纵向风荷载;(5) 工况五.自重+纵向风荷载+施工中整体荷载.在不同的荷载施工下,本文采用前四阶的稳定系数值作为施工参考值，五种工况下最小稳定系数应采用,见表5.

表5 支架各个工况下的稳定系数

3 结 束 语

1) 根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)：对于拱肋宽跨比小于1/20的拱桥，必须进行施工及成拱阶段拱的面内、面外稳定承载力验算，对于大跨度拱桥和无支架施工的拱桥，规定拱肋稳定系数K>4，在以上3种方案中，方案3相对于其他方案稳定系数比较容易保证，且最小为6.3 ，而方案1最小稳定系数为1.41，方案2最小稳定系数为0.37，方案3稳定系数最大，且满足规范要求，故选用方案3为施工方案.

2) 从3种方案对比可知，风荷载对施工的稳定性起到很大的作用，其中在最小稳定系数时，考虑风荷载时为6.3，不考虑时是21.57，相差3.42倍，温度荷载则对稳定性影响较小.

3) 整体翻转方案经济，稳定性好，容易施工.

4) 在整体提升支架施工时，稳定系数最小值为4.61，支架的稳定满足施工规范要求.

[1]程 进,江见鲸.肖汝诚.等.大跨度拱桥极限承载力的参数研究[J].中国公路学报,2003(2)：45-47.

[2]颜全胜,李立军.大跨度钢管混凝土拱桥的非线性空气静力稳定性[J].华南理工大学学报:自然科学版,2005,33(12):87-91：97-91.

[3]赵 雷,卜一之.大跨度拱桥施工稳定性的时变力学分析[J].铁道学报,2000,22(5):55-59.：

[4]颜全胜,韩大建.解放大桥钢管混凝土系杆拱桥的非线性稳定[J].华南理工大学学报,1999,27(11):98-103.

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[7]颜全胜，骆宁安，韩大建，等.大跨度拱桥的非线性与稳定分析[J].华南理工大学学报：自然科学版，2000(6)：47-51.

Stability Analysis of Ultra-high Rise-span Ratio to Arch Bridge Ribs Hoisting

WANG Lin XING Chaowei WANG Fang

(SchoolofArchitecturalandCivilEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China)

Based on the comparison and analysis of arch rib stability considering the temperature loads and wind loads in three hoisting plans,the results show that the influence of temperature loads on stability is small and the influence of wind is bigger, the third plan that overall flip lifting program is the safest. Finally, the stability of bracket is analyzed when enhancing the overall of the third program and the result shows that it meets the requirements of construction safety and stability.

stability;wind loads;temperature loads;hoisting plans; bracket

2015-03-10

*江苏省产学研联合创新项目资助(批准号：BY2012182)

U488

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.011

王林(1963- )：男，博士，教授，主要研究领域为结构工程