钢管混凝土拱桥缆索吊装系统扣索设计及索力验算

姚　杰

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)



钢管混凝土拱桥缆索吊装系统扣索设计及索力验算

姚杰

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

摘要：结合芜湖市新建袁泽桥带副拱的中承式变截面钢管混凝土集束拱桥吊装施工，介绍了缆索吊装系统扣索设计及索力手算的计算方法，为同类工程提供技术和方法参考。

关键词：钢管拱桥；缆索吊装；扣索设计；索力计算

缆索吊装系统是当前钢管混凝土拱桥吊装架设常见的一种施工方法。内力计算一般采用软件的居多，手算的极少。软件计算结果通常具有保险系数过大、计算模型一致等弊端，而施工过程往往是千变万化的，特点、施工工艺的不同必然会导致其受力状态不一样，软件计算结果现场可操作性不强，且数据难以复核。新建袁泽桥钢管混凝土拱桥采用缆索吊装系统吊装，其中扣索作为固定钢管拱肋临时受力构件，需根据计算数据进行张拉，数据精确度要求高。下面结合芜湖市新建袁泽桥带副拱中承式变截面钢管混凝土拱桥吊装施工，介绍扣索设计及索力计算。

1工程概况

芜湖市袁泽桥主桥采用带副拱的中承式钢管混凝土拱桥，拱圈由主拱和副拱组成。主桥拱圈与拱座基础固结，主桥跨中主梁采用钢格构叠合梁模式，半飘浮体系设计。主拱圈轴线采用悬链线，理论拱轴线拱脚水平距离为135 m，矢高30 m，矢跨比1∶4.5，拱轴系数m=1.5，两拱肋轴线横向间距26.75m，主拱圈共划分为11节段。见图1。

2扣索设计及索力计算

钢管拱肋分11段吊装合龙，每侧4个扣段，中间设置一合拢段。每一扣段设左右对称两个扣点，扣索通过索塔上的索鞍转向，锚固在主地锚上。扣挂系统是采用千斤顶钢绞线斜拉扣挂法和后地锚系统，技术比较先进。使用千斤顶钢绞线斜拉扣挂法施工的主要优点有：

1)采用高强、承载力大、延伸量小、变形稳定的钢铰线作为定位拱肋的斜拉扣索，减少了架设过程中不稳定索的非弹性变形；

2)采用千斤顶张拉系统对斜拉索加卸拉力、收放索长，张拉能力大、行程控制精度高、索力调整灵活、锚固可靠；

3)斜拉扣挂系统自成系统，不受缆索吊装系统的干扰；

4)可以准确地计算悬拼架设过程中各施工阶段的索力、延伸量，以及由此而产生的大段接头预抬高值，作为施工实施控制的依据[1]。

根据现场场地布置情况及地形环境，将千斤顶钢绞线斜拉扣挂系统与缆索吊机系统分开设置，相互独立，互不干扰。扣索采用Φj15.24高强低松弛钢绞线，钢绞线破断强度为1 860MPa，两岸各设扣索8组，对称同型设置。拱肋扣点设在下弦管0.1～0.2L(L为吊段长度)范围处，P锚锁定；张拉端设在后地锚，群锚锚固体系[2]。

图1　主桥构造图

2.1扣索索力计算

根据设计及现场实际情况，该桥采用单肋合拢安装方案，每片拱肋分11段吊装(以截面中心计，A段拱节长度为7.641m，B段为14.377m，C段为13.662m，D段为13.506m，E段为19.884m，合拢F段为8.340m)，南北两边按A～E顺序对称安装，最后安装合拢段。每片拱肋中的每段拱节除合拢段外均设4道扣索(即B段、C段、D段和E段)，A段采取钢管支架法支撑固定，由于两岸扣索对称布置且标高相同，两岸对应扣索力也相同，故只计算其中的南岸扣索力即可。扣索立面布置见图2。由于风缆拉力对扣索影响不大(但计算复杂)，故计算扣索力时可以忽略不计。

图2　扣索立面布置及相关参数示意图

1)B段就位后，扣索力PB的计算[3]。

B段扣索力计算模型见图3。

图3　B段扣索力计算模型

2)C段就位后，扣索力PC及△PB的计算[3]。

C段扣索力计算模型见图4。

图4　C段及其对B段影响的扣索力计算模型

C段就位后，对B段产生桥轴线方向的推力H和向下的压力V，由此引起B段扣索力增量△PB，计算如下：

H=PCcosθP=151.424×cos41.274 4°

=113.804 kN

V=QC-PCsinθP=

300-151.424sin41.274 4°=200.111 kN

∑MA=0∶ΔPBaB+HhAB=VxAB⟹

3)D段就位后，扣索力PD及△PC、△PB的计算。

D段扣索力计算模型见图5。

图5　D段及其对B段、C段影响的扣索力计算模型

D段就位后，对C段产生桥轴线方向的推力H和向下的压力V，由此引起C段扣索力增量△PC，计算如下：

H=PCcosθP=198.028×cos29.518 6°

=172.323 kN

V=QD-PDsinθP=

280-198.028sin29.518 6°=182.430 kN

∑MB=0∶ΔPCaC+HhBC=VxBC⟹

同样，△PC对B段产生桥轴线方向的推力H′和向下的压力V′，由此引起B段扣索力增量△PB′，计算如下：

H′=H+ΔPCcosθP=172.323+87.952×

cos41.274 4°=238.424 kN

V′=V-ΔPCsinθP=

182.430-87.952sin41.274 4°=124.411 kN

∑MA=0∶ΔPB′aB+H′hAB=V′xAB⟹

4)E段就位后，扣索力PE及△PD、△PC′的计算[3]。

E段扣索力计算模型见图6。

图6　E段及其对D段、C段影响的扣索力计算模型

E段就位后，对D段产生轴线方向的推力H和向下的压力V，由此引起C段扣索力增量△PC，计算如下：

H=PEcosθP=397.216×cos19.646 5°

=374.092 kN

V=QE-PEsinθP=

350-397.216sin19.646 5°=216.450 kN

∑MC=0∶ΔPDaD+HhCD=VxCD⟹

同样，△PD对C段产生轴线方向的推力H′和向下的压力V′，由此引起C段扣索力增量△PC′，计算如下：

H′=H+ΔPDcosθP=374.092+

103.597×cos29.518 6°=464.242 kN

V′=V-ΔPDsinθP=216.450-

103.597×sin29.518 6°=165.407 kN

∑MB=0∶ΔPC′aC+H′hBC=V′xBC⟹

2.2拱段最大扣索力的确定

合拢段安装后，拱肋闭合形成整圈，已成简支结构，整体拱肋处于铰支状态，但拱肋上不会发生附加外力，各段扣索力也不会增大。为更安全起见，第三段对第一段索力影响值为负值不进行叠加计算，确定各拱段最大扣索力如下[3]：

2.3扣索的选定

式中：n为扣索中的钢绞线根数；P为确定的最大扣索力；tp为单根钢绞线允许破断拉力。

根据上述分析结果，拱肋节段悬拼施工过程中各节段的扣索内力变化情况见表1。

表1　各节段的扣索内力表

注：表中索力为一个固定端锚具上的索力值。

3施工控制

在施工过程中，拱圈线型竖向位移采取索力和高程测量双控法，水平位移根据测量值用风缆进行调节。钢结构对温度比较敏感，一天中24h随时都在变化，其线型随着外界周边温度高低以及钢结构本身冷热不均进行位移变形。为了更好地做好施工控制，克服消除外界不利因素，我们选定凌晨4：00：00—5：00：00(太阳出来前)作为最佳观测时段，其线型和索力均以此时段测量结果为准[1]。

4结语

该桥在2009年5月20日至6月15日进行B、C、D、E拱段安装，在安装过程中索力张拉控制值均在计算正常误差范围之内，各拱段接口固结前拱肋轴线、高程均呈稳定状态，误差值符合设计要求。事实证明，内力计算采用手算法，有几个方面好处：一是计算方法通俗易懂；二是索力与测量高程误差之间相对关系可随时进行验算；三是施工时发生索力突变或线型明显偏差时，可及时排查根源之所在；四是施工安全质量可控。桥梁建成后，经监控单位实测拱肋各监控点内力值符合设计要求，运行状态良好。

参 考 文 献

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]张志发.钢管混凝土拱桥的施工技术[J].广东土木与建筑，2002(4)：41-43.

[3]孙晓红.钢管混凝土拱桥施工监控与拱肋吊装计算[D].福州：福州大学，2004.

收稿日期：2016-04-26

作者简介：姚杰(1978—)，男，浙江长兴人，工程师，从事铁路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

中图分类号：U448.22

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)07-0030-05

Cable Design and Checking Calculation of Cable Force for the CableHoisting System of the Reinforced Concrete Arch Bridge

YAO Jie