落步溪大橋鋼管骨架吊裝扣索方案比選
2017-03-20
1. 工程簡況
落步溪大橋為國內(nèi)跨度較大的鋼管混凝土勁性骨架提籃拱橋。由于大橋地處山區(qū),山坡陡峻,河谷深窄,為了一孔跨越深谷,主橋采用跨越能力較強的拱橋(矢跨比確定為1/4.5),孔徑布置為1-24m后張梁+1-178m上承式拱橋+1-32m后張梁(橋型布置見圖1)。本橋兩岸邊坡陡峻,拱圈施工是本橋施工的關(guān)鍵。主跨178m上承拱橋拱圈的施工結(jié)合地形條件,采用了裸拱合攏相對容易的勁性骨架混凝土拱圈方案,以減小大跨度橋梁的施工風(fēng)險。為了增強其橫向穩(wěn)定性,拱肋為提籃型布置。178m上承式鋼筋混凝土拱肋的拱軸線為懸鏈線,采用單箱單室箱型變高度截面。骨架空鋼管的吊裝是本橋施工的重點工序,也是風(fēng)險較大、施工較困難的工序之一。它不僅關(guān)系到混凝土拱肋成型的質(zhì)量,也對拱肋混凝土外包施工、拱上立柱、拱頂框架及拱上連續(xù)梁的施工有著重要的影響。由于地形條件的限制,本橋采用無支架纜索吊裝方案架設(shè)拱肋鋼管骨架,為保證骨架安裝過程中的安全及骨架的順利合龍,本文進行了扣索方案的優(yōu)化計算,并結(jié)合合龍前的溫度效應(yīng)計算結(jié)果,給出了合龍前的扣索索力優(yōu)化值、骨架吊裝過程中標高、鋼管應(yīng)力、扣索索力控制值以及合龍施工的相關(guān)建議,具有一定的工程指導(dǎo)意義。
2. 鋼管骨架吊裝方案扣索索力計算數(shù)學(xué)模型及算法[1-5]
2.1扣索索力計算數(shù)學(xué)模型
求解扣索索力的計算模型可采用下面的數(shù)學(xué)形式進行描述。對鋼管拱肋骨架的某吊裝階段,用MIDAS-Civil建立力學(xué)正問題的有限元控制方程如下[5]:
(1)
式中:K―結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣;u―節(jié)點位移向量;F―結(jié)構(gòu)自重、施工荷載及溫度荷載等產(chǎn)生的節(jié)點等效力向量。顯然,由式(1)可知,對于某特定的吊裝節(jié)段,拱的位移u是關(guān)于索力向量S的函數(shù),即,因此求解索力的問題可轉(zhuǎn)化為如下有約束的極小值問題:
其中:f―目標函數(shù),S―設(shè)計變量,―狀態(tài)變量。式(2)中各符號的意義如下:si―i號扣索的索力張拉值;S―所有扣索索力組成的向量;―拱肋第j個標高控制點在F作用下的豎向位移值,此值由結(jié)構(gòu)有限元分析得到;―j控制點的期望預(yù)拱度,為已知量;―施工中拱肋標高允許偏差的上、下限;―第m個內(nèi)力控制截面的最不利Mises應(yīng)力值,由有限元計算得到;―為鋼管的容許應(yīng)力;N―扣索的總數(shù);H―標高控制點的總數(shù);M―內(nèi)力(或應(yīng)力)控制截面的總數(shù);―索的容許應(yīng)力;m―索的安全系數(shù)。
從式(2)顯示的意義可知,理想的情況是通過張拉扣索,使拱軸線全盤達到期望線形,即,但實際上這是無法做到的。因為期望預(yù)拱度值主要與鋼管的自重以及溫度荷載有關(guān),它是分布載荷,而扣索索力值為點荷載,因此索力優(yōu)化計算中必須選取若干標高控制點。當?shù)鷥?yōu)化的索力能保證H個標高控制點的f(S)最小,并且各單個控制點的標高及骨架內(nèi)力(或應(yīng)力)偏差滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求,此時得到的索力為最優(yōu)索力,相應(yīng)的拱肋線形也是最逼近期望的線形。標高控制點數(shù)H越大,拱肋線形越符合期望線形。
當然,通過合龍前某一施工階段的扣索優(yōu)化計算得到的一組索力未必能夠滿足骨架倒拆計算和正裝計算的要求,因而有必要進行骨架的倒拆計算。如果優(yōu)化計算得到的索力不能滿足倒拆計算和正裝計算的要求,則選擇不能滿足骨架正裝計算的施工階段進行適當?shù)恼{(diào)索計算。
2.2索力優(yōu)化分析的計算迭代步驟[6-7]
第一步:選定合龍前某一階段(一般為合龍前的最不利階段),設(shè)定一組索力(S0),并考慮自重(w)、臨時荷載(L)等可能荷載進行結(jié)構(gòu)的正分析,計算出結(jié)構(gòu)的位移(u1)、應(yīng)力(σ1)、索力(s1);
第二步:判定第一步計算結(jié)果是否滿足拱肋骨架線形、應(yīng)力、索力的控制要求即:
如果式(3)不滿足,則將索力S1帶入第一步重新計算,直至滿足要求,得出一組最優(yōu)索力Si;如果式(3)滿足,則直接進入第三步:
第三步:以Si為優(yōu)化索力,進入倒拆計算,第j階段的倒拆計算結(jié)果為Sj,uj,σj(j=1,2,…K,K為倒拆計算工況數(shù)),判定Sj,uj,σj (j=1,2,…K)是否滿足結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定要求,即:
如果式(4)成立,則Si為滿足正裝計算和倒拆計算要求的一組可行最優(yōu)化索力,輸出倒拆計算結(jié)果()(o―表示優(yōu)化索力作用下計算結(jié)果,k―第k個倒拆計算工況),即本組結(jié)果可以作為一組優(yōu)化扣索索力作用下骨架正裝施工過程中的控制數(shù)據(jù)。如果式(4)不滿足,則進入第四步。
第四步:以Si為優(yōu)化索力,進入倒拆計算過程中的調(diào)索計算,選定第三步中不滿足式(4)的工況(假定為M工況),進行調(diào)索優(yōu)化,使得調(diào)整后的索力工況M能夠滿足式(4),輸出M工況的索力變化量,及本工況下的位移、應(yīng)力結(jié)果以作調(diào)索時參考。
根據(jù)作者的經(jīng)驗,上述迭代計算一般需要5～8次循環(huán),而且一般情況的最優(yōu)優(yōu)化索力均能滿足拱肋骨架正裝計算及倒拆計算的要求,較少遇到在吊裝過程中需要調(diào)索的情況,依據(jù)本文中的扣索索力優(yōu)化計算方法得到的優(yōu)化索力不僅能夠滿足正裝計算和倒拆計算的要求,而且保證了吊裝過程的一氣呵成,在不需要任何調(diào)索工作的前提下,骨架即可具備良好的合龍條件,保證了合龍施工的順利及良好的骨架應(yīng)力狀態(tài)。
3. 落步溪大橋鋼管骨架扣索方案比選計算結(jié)果及分析
受落步溪大橋的施工場地條件限制,采用傳統(tǒng)的扣塔-扣索法安裝骨架較為困難,經(jīng)過方案比選,最終選擇了無扣塔扣索方案,即扣索后錨點充分利用本橋拱座后方的橋臺(進行相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力配束),根據(jù)鋼管節(jié)段吊裝順序,擬定了兩種扣索方案:
方案I:每安裝一個節(jié)段,張拉相應(yīng)編號的扣索,安裝下一個節(jié)段時,拆除前一節(jié)段的扣索,僅保留后一節(jié)段的扣索,即骨架合龍前,僅保留5#扣索。
方案II:每安裝一個節(jié)段,張拉相應(yīng)編號的扣索,隨后各節(jié)段安裝時均保留相應(yīng)的扣索,即合龍前共有5組扣索。
整橋鋼管骨架共分為11段,宜昌側(cè)和萬州側(cè)各5段,11#節(jié)段為合龍段,相應(yīng)的扣索編號見圖2。MIDAS計算模型見圖3、圖4。
3.1 骨架自重計算結(jié)果
根據(jù)方案I、方案II的支反力計算結(jié)果,合龍前半跨拱肋鋼管重量約為270噸,實際重量:267.2噸,相對誤差為1.47%。
3.2 扣索索力及骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)力
扣索方案I:為平衡鋼管自重彎矩,并使鋼管骨架最遠端具備合龍條件,經(jīng)過多次迭代計算,單組扣索(10根7Φ5鋼絞線組成,共兩組)索力為135.5噸;合龍前拱肋鋼管、橫聯(lián)、豎聯(lián)最大壓應(yīng)力為-45.36MPa,最大拉應(yīng)力35.23MPa。
扣索方案II:經(jīng)過多次迭代計算,合龍前的最優(yōu)扣索索力計算值見表2。在本組優(yōu)化索力作用下,合龍前拱肋鋼管骨架最大壓應(yīng)力-34.54MPa,最大拉應(yīng)力為17.34MPa。
綜合分析兩種扣索方案優(yōu)化扣索索力作用下,骨架的拉、壓應(yīng)力均低于相應(yīng)的強度容許應(yīng)力及穩(wěn)定承載力,即相應(yīng)的扣索索力均能夠保證合龍前鋼管骨架結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性。
3.3 鋼管骨架的變形計算結(jié)果及分析
方案I、方案II在最優(yōu)扣索索力作用下的變形等值線見圖5、圖6。
扣索方案I:當扣索索力為135.5噸時,第5節(jié)段最遠端鋼管上弦節(jié)點X、Y、Z三向位移分別為:+8.9mm、0.27mm、+0.95mm,下弦鋼管節(jié)點X、Y、Z三向位移分別為:+16.84mm、0.02mm、+1.48mm。根據(jù)拱肋鋼管上、下弦節(jié)點X向位移變化量可見,單組扣索作用下,第5節(jié)段合龍端上、下弦節(jié)點X向位移差為7.94mm。合龍前拱肋鋼管骨架節(jié)點最大X向(縱橋向)位移為25.3mm,最大豎向位移為45.0mm。
扣索方案II:在一組優(yōu)化扣索索力作用下,拱肋骨架節(jié)點最大豎向位移為3.36 mm,最大縱向位移為-30.2mm,合龍?zhí)幑袄呱?、下弦?jié)點縱向位移分別為:-9.9mm、-8.9mm。二者相差約1mm。
3.4 鋼管拱肋骨架吊裝過程坐標控制值計算
對扣索方案I而言,張拉5#扣索時對扣索張拉力和骨架遠端標高進行控制,滿足骨架合龍的標高時隨即進行錨固即可。而對于扣索方案II,需要在一組最優(yōu)扣索索力作用下進行骨架結(jié)構(gòu)的倒拆計算,得出各節(jié)段安裝過程中扣點對應(yīng)的下弦鋼管節(jié)點坐標控制數(shù)據(jù),供吊裝施工控制時參考(表3)。需要說明的是,每一節(jié)段吊運就位后,只需要控制該節(jié)段吊點位置處的坐標,其它位置處的測試值僅作校核。由表3中的數(shù)據(jù)可知,吊裝3#節(jié)段、4#節(jié)段時,扣點豎向坐標分別要求與理論坐標相差-14.6mm、-37.8mm,而當5#節(jié)段吊裝完成即5#扣索張拉值控制索力值后,骨架各節(jié)點豎向坐標與理論坐標最大差值僅為-2.1mm。由于本橋的扣索后錨點的標高低于拱肋骨架最高點,因此隨著節(jié)段的吊裝,骨架的順橋向壓縮量逐漸增大,合龍前5#扣點的最大軸向壓縮量為8.9mm。
3.5 落步溪大橋鋼管骨架吊裝過程(扣索方案II)控制應(yīng)力測試及分析
骨架吊裝過程控制采用“線形和扣索索力雙控”的原則,其中以表3中的標高數(shù)據(jù)控制為主,表2中的扣索索力值控制做校核。表4列出了成型的拱肋骨架各截面的實測應(yīng)力及理論應(yīng)力。由表中數(shù)據(jù)可見,宜昌側(cè)拱腳、1/4截面位置的部分部位弦管總應(yīng)力與理論總應(yīng)力相差稍大外,其余各截面的測試部位應(yīng)力均非常吻合,相對誤差均小于10%。表明采用此種吊裝控制方法可以準確的保證拱肋骨架的成型質(zhì)量。
5. 結(jié)論
綜合兩種扣索方案計算結(jié)果可知,兩種方案優(yōu)化扣索索力作用下,骨架的應(yīng)力狀態(tài)均能滿足結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性要求,但扣索方案II具備更好的Z向(標高)、X向(縱橋向)合龍條件,并且骨架的變形和應(yīng)力均較方案I更為均勻。通過倒拆計算給出的骨架標高及扣索索力控制值,能夠保證骨架吊裝過程的順利完成,避免繁瑣的索力及標高調(diào)整工序。
參考文獻:
[1] 梅蓋偉 張敏等. 用倒拆修正法計算拱橋施工扣索索力與預(yù)抬量 [J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報, Vol28 No.2, 2009(4): 199-202.
[2] 連岳泉 肖建良, 大跨徑拱橋拱肋吊裝過程索力仿真分析[J]. 中外公路,Vol.28 No.5, 2008(10): 146-149.
[3] 張建民, 鄭皆連.大跨度鋼管混凝土拱橋吊裝過程的優(yōu)化計算方法[J]. 橋梁建設(shè), 2002(1): 52-58.
[4] He Xiongjun. Shen Chewu. Adjustment of buckle-cable forces under cable hoisting construction of concrete- filled steel tubular arc bridges. Journal of Wuhan Transportation University. Vol.23 No.5, 1999(10): 575-578.
[5] MIDAS Inc. 邁達斯理論手冊(第二冊), 2007(9): 9-13
[6] 袁海慶 范小春等. 大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝預(yù)測的迭代前進算法[J]. 中國公路學(xué)報,Vol.16 No.3, 2003(7): 48-51.
[7] 沈成武 杜國東等. 大跨徑鋼管混凝土拱橋吊裝過程中的索力逆分析[J]. 武漢交通科技大學(xué)學(xué)報, 1998 22(3): 223-226.
第1作者簡介:李新民(1966―),男,高級工程師,1989年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院,工程碩士。中鐵三局一公司,河北省霸州市鐵路新區(qū)中鐵三局一公司 065700
