钢箱拱桥整体吊装施工中索力研究

石玉灿

(西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031)

钢拱桥有着悠久历史，在拱桥的施工过程中，逐渐积累了丰富经验，总结近几年拱桥的施工方法，一般有下面几种：支架施工法、悬臂施工法[1]、转体施工法[2]、缆索吊装法[3]和整体吊装法[4]。整体吊装法施工是用具有足够吊装能力的起重设备将已经焊接成型的整片拱肋起吊，安装合龙[4]。钢箱拱桥整体吊装施工方法具有工期短、对通航影响较小、减少高空作业的危险、易于保证施工质量、结构整体性好的优点[5]。但是目前整体吊装施工多用于中小型桥梁，在大跨度钢箱拱桥中的研究较少。为此本文作者以某在建的拱桥为实例，研究大跨度钢箱拱桥整体吊装施工的安全性。该桥整体吊装施工面临两个难题：由于中拱段部分质量较大，拱肋结构受力较为复杂，施工过程中，拱肋的受力情况对施工安全至关重要；施工过程中，吊装段结构的变形将影响最终合龙，因此将合龙误差控制在可控范围内对施工非常关键。针对大跨度钢箱拱桥施工过程中出现的难题，本文作者结合有限元对结构的受力特征进行分析，有效地解决了这一问题。

1 工程背景

1.1 桥梁概况

该桥主桥为中承式钢箱拱桥，结构体系为有推力提篮式拱桥。主拱部分拱肋由混凝土段和钢箱拱肋段组成，拱轴线为悬链线。主拱净跨径为450 m，净矢高为100 m，矢跨比为1∶4.5，拱平面与竖直平面的夹角10°。拱肋分布见图1。

图1 该桥整体分布

1.2 施工方法

拱肋施工过程按照拱肋节段分为边拱段施工和中拱段施工两个部分。将主拱两侧93.5 m长的部分划分为边拱段，边拱段采用低位支架拼装的施工方法。将主拱中间263 m部分划分为中拱段，总重量5 200 t，中拱段采用整体吊装的施工方法。中拱段施工分为三个步骤，依次是低位拼装、张拉预应力索、整体吊装。

2 有限元模型建立

2.1 作用荷载及计算工况

在整体吊装过程中，拱肋结构受到三个荷载，分别是结构自重、纵向水平拉索预应力(每一侧拉索张拉21 000 kN的预应力)以及结构的风荷载(根据当地实际情况，大小取755 N/m2， 方向为水平横桥向)。

按照约束条件和荷载组合的不同，共分为以下三个工况：

工况一：自重，中拱段两端固结。

工况二：自重+风荷载，竖直钢束上部吊点固定。

工况三：自重+预应力+风荷载，竖直钢束上部吊点固定。

2.2 单元模拟

中拱段吊装结构模型中，钢箱拱肋、加劲肋、横隔板、横撑和抱箍(抱箍为施工临时结构，作用是连接吊索与钢箱拱肋)等5部分采用采用空间板壳单元shell63[6]；竖直吊装钢束、水平预应力索都是采用杆系单元link10。模型共计217 941个节点，450 376个单元。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型示意

2.3 边界条件

不同的工况，有不同边界条件。工况一模拟成桥阶段拱肋受力，在工况一中，边界条件是中拱段左右两端固结。工况二和工况三都是模拟吊装阶段，具有相同的边界条件，固结吊装钢束的顶点。在抱箍的一个面上，约束横桥向(Y方向)的位移，模拟横桥向的限位装置。为了防止体系的顺桥向的刚体运动，在中拱段纵向对称中心线上选取一个节点，约束其X方向位移，作为辅助约束。

3 计算结果及分析

3.1 应力计算结果

由于吊装状态下，结构应力状态比较复杂，为多向应力状态，同时考虑到结构材料为钢结构，故应力分析中采用Von Mises应力[7]，其定义为：

式中：σ1、σ2、σ3为该位置的三个主应力。

钢箱拱肋和抱箍结构是整体吊装施工的主要承重构件，其在吊装过程的应力水平，对与整体吊装施工的安全性至关重要。三种工况下，钢箱拱和抱箍结构的应力见表1。三个工况下结构应力数据结果表明：

(1)成桥阶段，钢箱拱肋结构的应力水平较低，不超过100 MPa，低于Q345钢材的的设计强度。

(2)比较工况二与工况三结果，添加水平索之后，中拱段拱肋的应力减少为没有预应力的1/2.67，抱箍应力减少为没有预应力的1/6.67，说明吊装施工过程中预应力的对拱肋应力的影响很大。

(3)工况三中，拱肋结构和抱箍结构的应力安全系数都大于1，吊装过程中，结构各部分应力能够满足要求。

(4)吊装过程中，中拱段的横撑应力水平较低，应力最大为34.9 MPa。

3.2 位移计算结果

吊装过程中，位移分析非常重要。位移根据方向分为两部分：竖直方向的位移(Z向，以竖直向上为正)，影响到成桥后拱肋的线形；水平顺桥向的位移(X向，以拱脚一端到另一端拱脚的方向为正)，关系到中拱段吊装就位后与边拱段的合龙精度。三种工况下拱肋结构的位移见图3～图5和表2。

表1 结构应力计算结果

图3 工况一与工况三竖向位移

图4 工况二竖向位移

图5 工况二与工况三顺桥向位移

表2 位移分析结果 mm

由位移计算结果可见：

(1)在吊装过程(工况三)中，拱肋结构最大竖向位移差是56 mm，挠跨比为1/4 643，吊装过程中，拱肋竖向变形能够满足要求。中拱段拱脚处的水平位移为36 mm，位移水平较小，能够满足合龙施工的误差要求。

(2)比较工况一与工况三的竖向位移结果，中拱段吊装施工时，拱脚处和拱顶处的竖向位移与成桥阶段的位移结果较为接近，整体吊装施工方法能够较好的控制拱肋的线形。

(3)拱桥在无预应力条件下吊装时，拱肋的变形很大，竖向挠度为1 296 mm，挠跨比为1/201；水平顺桥向产生749 mm的位移差值。有预应力条件下吊装时，同无预应力相比，顺桥向水平位移减少为没有预应力的1/10.4，结构的竖直位移减少为没有预应力的1/23.1。说明吊装施工过程中预应力的对拱肋变形的影响很大。

4 预应力参数分析

通过上文可知，有无预应力索对拱桥整体吊装施工的应力变形影响很大。在本章中，继续探讨预应力大小对拱肋内力、变形的影响程度，为在施工中预应力大小的选取提供科学依据[8]。

分别选取0.4F、0.6F、0.8F、1.0F、1.2F、1.4F(F为施工方案中，加载预应力的大小，即每片拱肋张拉21 000 kN)的预应力，模拟吊装施工过程，分析拱肋结构应力和位移的变化规律。

4.1 应力结果

应力结果选取拱肋上3个截面作为参考，分别是吊点处截面，L/4处截面和L/2处截面。几种预应力作用下的应力结果见图6。

图6 拱肋截面应力

由截面应力结果可见：预应力的大小对拱顶处和L/4处的应力影响较小；但是对吊点处截面的应力影响较大，吊点处截面的应力先减小后增大，在1.0F时取最小值；预应力值在取0.8F～1.2F区间时，拱肋截面的应力水平较低。

4.2 位移结果

位移结果分为竖直方向和水平顺桥向的两个位移，竖直方向最大位移差值(拱顶位移减拱脚位移，以拱肋上拱方向为正)见图7，水平顺桥向最大位移差值(两拱脚位移差值，以两拱脚相向运动趋势为正)见图8。

图7 竖向最大位移差值

图8 顺桥向最大位移差值

由拱肋最大位移差值结果可见：随着预应力的增大，竖向最大位移差值随之增大，即拱肋结构先下挠后上拱；顺桥向的最大位移差值随着预应力的增大而增大，即拱肋的两拱脚先呈现张开趋势，后呈现向跨中合拢趋势；两个方向的位移都在0.8F～1.0F区间时接近0。

5 结论

本文通过有限元数值计算的研究方法，分析了钢箱拱桥在整体吊装施工过程中拱肋的应力及变形规律。分析结果表明：

(1)拱桥整体吊装过程中，各个构件的应力和位移能够满足吊装施工的安全要求。

(2)拱桥整体吊装过程中，设置水平预应索能够明显的减小拱肋结构的变形。

(3)水平预应力索的大小能够影响拱肋结构的变形和应力。该桥施工中，预应力大小宜采用0.8F～1.0F区间的数值。施工方案设计时，建议选取合适的预应力，提高施工安全系数，并使拱肋结构接近理想线形。

(4)大跨度钢箱拱桥采用整体吊装的施工方法时，拱肋结构整体力学性能好，结构的挠度能控制在较小的水平，能较好的满足桥梁施工过程中线形控制和安全施工的要求。计算分析结果可为大跨度钢箱拱桥施工提供参考。