罗文大桥缆索吊装施工系统力学分析

李 彪， 罗 天

(1.南宁城市建设投资集团有限责任公司， 南宁 530033； 2.四川省公路规划勘察设计院有限公司， 成都 610041)

大跨度拱桥受施工条件的限制，常常采用无支架施工方法，包括悬臂施工法和缆索吊装法[1-3]。其中，悬臂施工法既有利于通航，又能进行变截面桥梁结构的施工，但施工工艺要求高，灵活性小[4]；缆索吊装施工法一般是先把拱肋在预制场预制好，后运输至吊场，通过缆索吊装系统的索系运送至安装拼接位置，调整扣索使吊装拱肋的拱轴线符合设计的拱轴线。缆索吊装施工法在横桥向和顺桥向运送拱肋比较灵活，在大跨径的拱桥施工中应用更为广泛。缆索吊装系统主要由4部分构成：塔架及风缆索，缆索系统，跑车，锚碇装置。其中，塔架主要承担主索、起重索、牵引索及扣索等索系组成部分，是缆索吊装中最关键的部分，关乎施工能否顺利、安全进行，很多学者对塔架进行了研究。D.Brun等[5]提出了一种基于悬链线的计算模型用于计算起重索的线形。Wojciech 等[6]对起重索在施工过程中的安全性进行了详细研究。杨胜等[7]通过有限元法优化了缆索吊装施工过程中的索力。戴鹏等[8]提出了拱桥缆索吊装施工方法的动坐标迭代法计算理论。罗才英等[9]根据工程经验和相关规范提出了缆索吊装的关键控制点。向中富等[10]通过实际工程研究了中乘式拱桥缆索吊装施工技术。这些研究均表明，在缆索吊装施工中，结构力学特征复杂，局部易出现受力不合理的现象，会给桥梁施工和运营带来安全隐患[11-13]。因此，针对特定的大桥，有必要对拱桥缆索吊装施工和成桥时的结构内力进行研究分析，保证桥梁安全。

为研究拱桥在缆索吊装施工中结构的受力特点，选取罗文大桥缆索吊装施工方法为研究对象，采用有限元分析，对该桥缆索吊装施工过程和成桥状态进行详细计算研究，获取其受力特征，为罗文大桥的缆索吊装施工设计提供依据，也为同类型桥梁设计施工提供参考。

1 工程概况

罗文大桥地处南宁邕江，主桥全长460 m，全桥布置为50 m+2×180 m+50 m，为海鸥式双跨系杆钢箱梁拱桥，主拱高50 m，跨径为180 m，由三角钢架区和主拱段组成，整体为梁-拱协作体系。主梁桥面为钢箱边主梁形式，全宽41.5 m，整体布置如图1所示。

(a) 全桥布置

(b) 主梁横断面

2 缆索吊装施工方法

与一般桥梁的缆索吊装施工方法不同，罗文大桥根据自身结构特点和所处环境情况，采用“缆索吊拱，以拱提梁”的缆索吊装施工方法，具体施工步骤为：

1) 主桥钢箱拱、钢箱梁节段等在工厂预制好后运送至施工现场，用于起吊吊装；

2) 利用两岸的索塔作为扣塔，采取“扣挂合一”方式，中间墩位设一扣塔，挂扣系统在吊装完拱后进行拆除；

3) 主拱的钢箱利用单组索道进行起吊，完成主拱吊装，根据拱段的重量、高度和线形，设计计算缆索吊装吊机的额定起重量、塔架的形式和高度，主缆参数等；

4) 主拱吊装完成后，利用在拱上的吊架对钢箱梁主梁进行提升，完成主梁吊装。整个吊装施工法过程如图2所示。

该桥在拱肋吊装施工过程采用了“挂扣合一”的方法，该方法的主要优势在于对线形控制较好，能实现精准合龙。传统的合龙技术需要对每一段拱肋进行高度预设，在合龙段合龙时，按照比例调节各拱肋对应的扣索，直至合龙。“挂扣合一”的施工方法是先肋拱合龙，后放松扣索。但这种方法对整体技术要求较高，在施工前需确保每阶段的计算精确。

3 施工过程有限元计算

3.1 有限元建模

为了分析罗文大桥施工过程和吊装完成后成桥态结构受力特征，建立了全桥有限元模型。其中钢箱主梁采用梁单元和板单元的混合有限元模型、三脚刚架区混凝土主梁采用梁格法、影响面加载采用虚拟桥面板方式、混凝土拱肋与钢箱拱肋均采用空间梁单元、混凝土拱座从混凝土拱肋的底部到承台顶用变截面梁单元、系杆索和吊索采用杆单元、吊索与拱肋和主梁的连接采用铰接方式、承台和桩基均采用空间梁单元。

(a) 主拱肋吊装

(b) 主梁吊装

罗文大桥的2个计算模型边界约束条件如表1所示，材料参数如表2所示，全桥有限元模型如图3所示。

3.2 有限元模型计算工况

为对施工阶段进行准确模拟，在有限元软件中全桥施工流程被分为25个阶段，如表3所示。

4 缆索吊装施工过程主桥结构受力特征

4.1 主拱施工阶段结构稳定性

选取拱肋合龙前最大悬臂阶段、拱肋合龙拆除扣索阶段等2个最危险的关键施工工况进行施工阶段特征值稳定计算，结果如图4所示。最大悬臂状态时，考虑横向阵风荷载作用，结构首先表现为扣塔横向失稳，1阶线弹性稳定系数为18.5，当不考虑扣塔稳定性时(即假设扣塔不失稳)，结构的1阶线弹性稳定系数远大于扣塔1阶线弹性稳定系数，如图4(a)和(c)所示。拱肋合龙、张拉临时系杆索并拆除扣索阶段时，考虑横向阵风荷载作用，结构的1阶线弹性稳定系数为71.9，为拱肋横向失稳，如图4(b)和(d)所示。

表1 结构各部位边界约束条件

表2 全桥材料力学特性

图3 罗文大桥缆索吊装施工过程有限元模型

表3 施工阶段划分

(a) 最大悬臂阶段扣塔

(b) 拱肋合龙拆除扣索阶段拱肋

(c) 最大悬臂阶段结构1阶失稳模态

(d) 拱肋合龙拆除扣索阶段拱肋1阶失稳模态

4.2 主拱施工阶段结构强度

计算结果显示，在吊装拱肋的施工阶段，主墩基础最不利推力出现在拱肋合龙之前，为1 990 kN；在成桥阶段，主墩基础最不利推力为2 675 kN；在运营阶段，主墩基础最不利推力为7 205 kN。整个施工过程中，扣索、锚索、吊杆、系杆的应力均满足安全性要求，结构始终保持安全。

4.3 缆索吊装施工完成后拱肋和主梁位移及受力状态

拱肋和主梁在缆索吊装施工及二期恒载浇筑后，拱肋竖向最大位移为-32.6 mm，挠跨比为32.6/180 000=1/5 521；主梁竖向最大位移为 -12.0 mm，挠跨比为12.0/180 000=1/15 000，均满足设计要求。

主拱和三角钢架弯矩介于-91 791 kN·m～+44 284 kN·m之间，最大弯矩和最小弯矩均位于三角钢架拱梁结合处，主拱和三角钢架轴力介于 -4 389 kN～+139 143 kN之间，最小轴力位于边跨三角钢架主跨侧拱梁结合处。

除拱梁结合处的局部出现拉应力和较大压应力外，拱肋和主梁在缆索吊装施工完成后，下边跨三角钢架处于良好的弹性受压状态，最大压应力为-14.8 MPa；下中跨三角钢架也处于良好的弹性受压状态，最大压应力为-12.0 MPa。

在有限元模型中由于采用虚拟梁和刚臂近似模拟三角钢架拱梁结合处的连接状态，而该处的构造和传力机制比较复杂，因此，实际应力比计算结果小，结构处于安全状态。

拱肋和主梁在缆索吊装施工完成后，钢主拱和钢副拱最大拉应力和最大压应力分别为21.6 MPa和-84.2 MPa,远远小于钢的屈服应力，满足设计要求。

4.4 拱肋缆索吊装施工过程建议

从有限元计算结果已知，总体施工方案是安全的，各构件内力、应力在施工过程中都能满足规范要求。同时，拱肋合龙前最大悬臂施工阶段是结构失稳的最不利工况，且塔架结构在施工过程中的某些杆件受力较大，在成桥阶段三角钢架拱梁结合处所受弯矩和轴力较大。针对以上问题，结合有限元计算结果，建议采取以下措施使得结构体系受力更合理。

1) 通过张拉系杆来平衡拱肋产生的恒载水平推力，基础仅承受活载产生的一部分水平推力。

2) 由于中跨恒载远大于边跨，使得主墩和三角钢架承受了不平衡荷载，在拱圈合龙前调整扣索拉力，以使边主墩预承受反向弯矩，解决受力不平衡的问题。

3) 为改善边跨混凝土三角钢架斜腿的内力，分析了影响其最敏感的因素，发现在于减小梁端部交界墩上支座恒载反力和系杆力。为此，通过在交界墩位置设置较小刚度的临时支架，调整了三角钢架段的弯矩，得到受力比较均衡的成桥内力状态。

5 结论

本文以采用缆索吊装施工方法的罗文大桥为研究对象，通过建立有限元模型，分阶段对其施工状态和吊装成桥状态后的结构受力特性进行模拟分析，主要有以下结论：

1) 根据现场条件拟采用“缆索吊拱，以拱提梁”“扣挂合一”等施工方法安全可行，吊装施工过程中结构受力满足规范要求。

2) 罗文大桥缆索系统在施工过程中部分构件受力较大、在成桥阶段三角钢架拱梁结合处所受弯矩和轴力较大、拱肋合龙前最大悬臂施工阶段是结构失稳最不利工况，均需采取措施优化结构受力。

3) 结合有限元计算结果，建议通过采取拱圈合龙前调整扣索拉力、在交界墩位置设置较小刚度的临时支架等措施优化结构体系受力特性。