落步溪大橋鋼管骨架吊裝扣索方案比選
2017-03-20
1. 工程簡(jiǎn)況
落步溪大橋?yàn)閲?guó)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(qiáng)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(duì)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(xiǎn)。為了增強(qiáng)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(diǎn)工序,也是風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(jìn)行了扣索方案的優(yōu)化計(jì)算,并結(jié)合合龍前的溫度效應(yīng)計(jì)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(biāo)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(jì)算數(shù)學(xué)模型及算法[1-5]
2.1扣索索力計(jì)算數(shù)學(xué)模型
求解扣索索力的計(jì)算模型可采用下面的數(shù)學(xué)形式進(jìn)行描述。對(duì)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(diǎn)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(diǎn)等效力向量。顯然,由式(1)可知,對(duì)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(biāo)函數(shù),S―設(shè)計(jì)變量,―狀態(tài)變量。式(2)中各符號(hào)的意義如下:si―i號(hào)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(gè)標(biāo)高控制點(diǎn)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(diǎn)的期望預(yù)拱度,為已知量;―施工中拱肋標(biāo)高允許偏差的上、下限;―第m個(gè)內(nèi)力控制截面的最不利Mises應(yīng)力值,由有限元計(jì)算得到;―為鋼管的容許應(yīng)力;N―扣索的總數(shù);H―標(biāo)高控制點(diǎn)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(dá)到期望線形,即,但實(shí)際上這是無法做到的。因?yàn)槠谕A(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(diǎn)荷載,因此索力優(yōu)化計(jì)算中必須選取若干標(biāo)高控制點(diǎn)。當(dāng)?shù)鷥?yōu)化的索力能保證H個(gè)標(biāo)高控制點(diǎn)的f(S)最小,并且各單個(gè)控制點(diǎn)的標(biāo)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(jì)要求,此時(shí)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(biāo)高控制點(diǎn)數(shù)H越大,拱肋線形越符合期望線形。
當(dāng)然,通過合龍前某一施工階段的扣索優(yōu)化計(jì)算得到的一組索力未必能夠滿足骨架倒拆計(jì)算和正裝計(jì)算的要求,因而有必要進(jìn)行骨架的倒拆計(jì)算。如果優(yōu)化計(jì)算得到的索力不能滿足倒拆計(jì)算和正裝計(jì)算的要求,則選擇不能滿足骨架正裝計(jì)算的施工階段進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)索計(jì)算。
2.2索力優(yōu)化分析的計(jì)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(shí)荷載(L)等可能荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)的正分析,計(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)入第三步:
第三步:以Si為優(yōu)化索力,進(jìn)入倒拆計(jì)算,第j階段的倒拆計(jì)算結(jié)果為Sj,uj,σj(j=1,2,…K,K為倒拆計(jì)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(jì)算和倒拆計(jì)算要求的一組可行最優(yōu)化索力,輸出倒拆計(jì)算結(jié)果()(o―表示優(yōu)化索力作用下計(jì)算結(jié)果,k―第k個(gè)倒拆計(jì)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(jìn)入第四步。
第四步:以Si為優(yōu)化索力,進(jìn)入倒拆計(jì)算過程中的調(diào)索計(jì)算,選定第三步中不滿足式(4)的工況(假定為M工況),進(jìn)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(shí)參考。
根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn),上述迭代計(jì)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(jì)算及倒拆計(jì)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(jì)算方法得到的優(yōu)化索力不僅能夠滿足正裝計(jì)算和倒拆計(jì)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(jì)算結(jié)果及分析
受落步溪大橋的施工場(chǎng)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(diǎn)充分利用本橋拱座后方的橋臺(tái)(進(jìn)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(gè)節(jié)段,張拉相應(yīng)編號(hào)的扣索,安裝下一個(gè)節(jié)段時(shí),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(gè)節(jié)段,張拉相應(yīng)編號(hào)的扣索,隨后各節(jié)段安裝時(shí)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(hào)見圖2。MIDAS計(jì)算模型見圖3、圖4。
3.1 骨架自重計(jì)算結(jié)果
根據(jù)方案I、方案II的支反力計(jì)算結(jié)果,合龍前半跨拱肋鋼管重量約為270噸,實(shí)際重量:267.2噸,相對(duì)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(yuǎn)端具備合龍條件,經(jīng)過多次迭代計(jì)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(jì)算,合龍前的最優(yōu)扣索索力計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度及穩(wěn)定性。
3.3 鋼管骨架的變形計(jì)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(dāng)扣索索力為135.5噸時(shí),第5節(jié)段最遠(yuǎn)端鋼管上弦節(jié)點(diǎn)X、Y、Z三向位移分別為:+8.9mm、0.27mm、+0.95mm,下弦鋼管節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)X向位移差為7.94mm。合龍前拱肋鋼管骨架節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(biāo)控制值計(jì)算
對(duì)扣索方案I而言,張拉5#扣索時(shí)對(duì)扣索張拉力和骨架遠(yuǎn)端標(biāo)高進(jìn)行控制,滿足骨架合龍的標(biāo)高時(shí)隨即進(jìn)行錨固即可。而對(duì)于扣索方案II,需要在一組最優(yōu)扣索索力作用下進(jìn)行骨架結(jié)構(gòu)的倒拆計(jì)算,得出各節(jié)段安裝過程中扣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下弦鋼管節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)控制數(shù)據(jù),供吊裝施工控制時(shí)參考(表3)。需要說明的是,每一節(jié)段吊運(yùn)就位后,只需要控制該節(jié)段吊點(diǎn)位置處的坐標(biāo),其它位置處的測(cè)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(shí),扣點(diǎn)豎向坐標(biāo)分別要求與理論坐標(biāo)相差-14.6mm、-37.8mm,而當(dāng)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(diǎn)豎向坐標(biāo)與理論坐標(biāo)最大差值僅為-2.1mm。由于本橋的扣索后錨點(diǎn)的標(biāo)高低于拱肋骨架最高點(diǎn),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(diǎn)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(cè)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(biāo)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(shí)測(cè)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(cè)試部位應(yīng)力均非常吻合,相對(duì)誤差均小于10%。表明采用此種吊裝控制方法可以準(zhǔn)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(jì)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(qiáng)度及穩(wěn)定性要求,但扣索方案II具備更好的Z向(標(biāo)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(jì)算給出的骨架標(biāo)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(biāo)高調(diào)整工序。
參考文獻(xiàn):
[1] 梅蓋偉 張敏等. 用倒拆修正法計(jì)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(bào), 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(jì)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(dá)斯理論手冊(cè)(第二冊(cè)), 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(cè)的迭代前進(jìn)算法[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào),Vol.16 No.3, 2003(7): 48-51.
[7] 沈成武 杜國(guó)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(bào), 1998 22(3): 223-226.
第1作者簡(jiǎn)介:李新民(1966―),男,高級(jí)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
