不同封铰时机对CFST拱桥施工受力的影响分析

摘要：大跨径钢管混凝土拱桥一般采用缆索吊装斜拉扣挂法施工。缆索吊装过程中拱脚封铰时其体系会进行转换，不同的封铰时机对拱桥的受力性能以及拱肋线形也会产生不同的影响。文章以马滩红水河特大桥为工程背景，从扣索索力、塔架不平衡水平力及拱圈线形三个方面分析“安装完8#节段后封铰”和“合龙后封铰”两种方案，以此得到最佳封铰时机。大桥最终采用“安装完8#节段后封铰”方案，其分析过程可供同类型桥梁施工借鉴。

关键词：桥梁工程；钢管混凝土拱桥；封铰时机；扣索力；不平衡力；线形

0引言

建设钢管混凝土拱桥的工艺技术已逐渐成熟且理论成果日益丰富，在我国以极高的增长速度得到广泛应用［1］。然而，随着钢管混凝土拱桥跨径的增加，拱肋的节段也随之变重，这也对拱桥的建设提出了更高的要求［2］。合理的封铰时机不仅使拱桥在封铰后体系能较好地转化，还能对合龙精度的提高起着至关重要的作用。为了使拱桥在施工过程中的各项受力性能均能满足规范要求且拱肋线形处于可控范围内，需要对拱桥拱脚的封铰时机进行研究。

鉴于此，本文以马滩红水河特大桥为工程背景，建立Midas Civil有限元仿真模型，对大桥的斜拉扣挂施工过程进行分析，分别建立“安装完8#节段后封铰”和“主拱合龙后封铰”两种方案下的计算模型，对两种方案从扣索索力、塔架不平衡水平力及拱圈线形三个方面进行对比分析，从而确定马滩红水河大桥的最佳封铰时机。

1 工程概况

马滩红水河特大桥为一座主桥长336 m，计算跨径为320 m的中承式钢管混凝土拱桥，主桥分为左右双线桥。其主拱矢跨比为1/4，拱轴系数为1.167，拱肋采用变高的钢管混凝土桁架结构。拱脚桁高12 m，拱顶桁高7 m，宽3 m，单条拱肋采用4根1 200×32（28，24，22）mm钢管组成上下弦管，弦管之間水平采用813×20 mm钢管横向连接，拱脚侧通过缀板连接，竖腹杆、斜腹杆均采用610×16 mm的Q345C空钢管。上弦杆两根主弦管及下弦杆两根主弦管为哑铃状结构形式。单条拱肋分为24段，全桥共96段。大桥立面布置如图1所示。

2 有限元模型

本文利用Midas Civil软件对马滩红水河特大桥的缆索吊装过程进行分析计算，其中扣索采用桁架单元模拟，主弦管、腹杆、横撑采用梁单元模拟，缀板采用板单元模拟。大桥结构离散共计节点数2 380个，单元数3 600个。整体有限元模型如图2所示。

3 封铰方案计算结果分析

3.1 扣索索力

施工过程中，为了使拱肋成桥线形逼近裸拱在自重作用下的线形，扣索索力不出现跌宕起伏的情况，且保证拱圈内力和线形在施工过程中始终处于合理范围内，需选择合理的封铰时机对拱肋进行封铰。本文结合项目具体情况，对“安装完8#节段后封铰”和“合龙后封铰”两种方案下的扣索索力进行分析。两种方案的扣索索力如图3所示。图3中LK1～LK12表示柳州岸1#～12#扣索；NK1～NK12表示南宁岸1#～12#扣索。

由图3可以看出，两种方案中两岸的扣索索力值走向基本一致，从1#～12#扣索，其索力值逐渐增大。此外，从两岸的扣索索力变化趋势可以看出，两种方案的1#～8#扣索的索力值十分接近，当安装完8#节段封铰后，9#扣索～12#扣索的索力值要比主拱合龙后封铰稍大50～100 kN。由于安装8#节段后封铰，拱脚已由铰接变为固结，这是拱圈结构体系转变的原因。另外，两种方案下两岸的9#扣索的索力值相比8#扣索的索力值增加了不少，其中“安装完8#节段后封铰”方案最大（南宁岸）增加了170.1 kN，方案“合龙后封铰”最大（柳州岸）增加了98.0 kN，这也说明8#节段是施工中的关键节段，需要在施工中引起必要的重视。

3.2 塔架不平衡水平力

大跨径钢管混凝土拱桥一般采用缆索吊装斜拉扣挂法施工，塔架多设计为吊、扣合一的形式。在悬臂拼装、吊运拱肋节段过程中，其每一节段的安装施工中都会影响到其他已安装节段的变形和内力。同时，塔架的变形也会带动已安装拱肋节段产生变形，从而导致联动效应，甚至会导致施工的线形与预测线形产生较大的偏离，影响合龙精度。另外，塔架是缆索吊装系统中一个十分重要的受力结构，其安全与否直接关系到施工过程的安全以及工程的质量［3］。因此需严格控制塔架的偏位，使之处于规范允许的范围内。为了减少在施工过程中塔架产生的偏位，除了要保证塔架和主缆具有足够的刚度，还需要保证两边扣锚索所产生的不平衡水平力足够小。

分别计算“安装完8#节段后封铰”和“合龙后封铰”两种方案下塔架的不平衡水平力，如图4所示，图中负值表示指向岸边，正值表示指向跨中。

从图4可以看出，两种方案下两岸塔架的不平衡水平力变化趋势相同。不论是柳州岸还是南宁岸，两种方案的1#～8#扣索所导致的塔架不平衡水平力相差都很小，而在9#扣索及之后，两者才产生偏离，这也进一步说明了8#节段施工是关键的施工阶段。柳州岸“安装完8#节段后封铰”方案较“合龙后封铰”方案塔架不平衡水平力总体小，最大为6.8 kN，南宁岸“安装完8#节段后封铰”方案较“合龙后封铰”方案塔架不平衡水平力总体大，最大为15.8 kN。

3.3 拱圈线形

拱圈线形根据施工阶段可以划分为施工线形和松索成拱线形，松索线形是在拱桥合龙后成拱的线形［4］。采用松索线形与目标线形即裸拱自重下的线形偏差来体现成桥线形的优劣。提取两种方案下松索成拱的竖向位移值与拱圈裸拱自重下的竖向位移值，进行分析，结果如图5所示。

从图5可以看到，两种方案下两岸的节段在松索成拱后，总体的趋势和裸拱自重下的位移是相同的，都呈现下降的趋势。但在两岸中，“合龙后封铰”方案的松索线形在5#节段处产生了突变，造成线形不连续，并且其松索线形总体与控制线形偏离较大，最大达到了35 mm（南宁岸12#节段处），误差较大。“安装完8#节段后封铰”方案的松索线形没有产生突变，基本连续且贴合目标线形，与目标控制线形的偏差最大为21 mm（南宁岸3#节段处），误差较小。

4 结语

本文以马滩红水河特大桥为工程背景，通过Midas Civil软件分析了在“安装完8#节段后封铰”和“合龙后封铰”两种方案下的扣索索力、塔架不平衡水平力及拱圈线形，得出以下结论：

（1）从扣索索力计算结果可知，两种方案的索力走向一致。但总体来说，方案“安装完8#节段后封铰”的扣索索力大于方案“合龙后封铰”，这是由于封铰后体系的转变造成的。此外8#节段为施工中的关键节段，无论是否在此时封铰，9#扣索的索力值都会突然增加。

（2）从塔架不平衡水平力方面考虑，再次论证了8#节段为重要的施工阶段。此外，方案“安装完8#节段后封铰”的塔架不平衡水平力总体来说较小于方案“合龙后封铰”。

（3）两种方案在松索成拱后，方案“合龙后封铰”与目标控制线形偏差较大且在局部产生突变，而方案“安装完8#节段后封铰”与目标控制线形贴合较好，偏差很小。

通过对比分析，综合考虑最终得到马滩红水河特大桥最佳的封铰时机，为方案“安装完8#节段后封铰”。

参考文献：

［1］陈宝春，韦建刚，周 俊，等.我国钢管混凝土拱桥应用现状与展望［J］.土木工程学报，2017，50（6）：50-61.

［2］杜海龙，韩 玉，秦大燕，等.六律邕江大桥施工过程优化分析［J］.西部交通科技，2019（7）：61-63.

［3］陆宁荣，郑 健.新型缆索吊塔架结构设计与受力分析［J］.西部交通科技，2022（11）：150-152.

［4］曹 璐，秦大燕，马文辉，等.中承式提篮拱桥“过程最优，结果可控”索力优化法研究［J］.世界桥梁，2022，50（6）：52-58.

作者简介：卢冬梅（1986—），工程师，主要从事桥梁施工控制研究工作。