大跨劲性骨架拱桥单片拱肋缆索吊装稳定性研究

大跨劲性骨架拱桥单片拱肋缆索吊装稳定性研究

刘政颜

重庆交通大学  重庆  400074

摘要：以云台通江河大跨劲性骨架拱桥为研究对象，采用Midas Civil2021建立单片拱肋的有限元模型，对该桥的单片拱肋吊装施工过程进行计算，探讨吊装过程中缆风设置对劲性骨架拱桥的稳定性的影响，为同类型桥梁施工提供参考和借鉴。

关键词：大跨劲性骨架拱桥；缆索吊装施工；稳定性

1.研究背景

从我国在1991年首座钢管混凝土（Concrete-filled Steel Tube，简称CFST）拱桥四川旺苍大桥（跨径115m）到2020年建成的世界最大跨径拱桥广西平南三桥（跨径575m），再到跨径700m的钢管混凝土拱桥通过设计和可行性研究，CFST拱桥在公路、铁路和城市道路交通正向着更大跨径发展。然而，跨径的增大也使得大跨度CFST拱桥的宽跨比和宽高比逐步减小，导致稳定问题在大跨度CFST拱桥的设计建造过程中比强度问题显得更加重要。与此同时，CFST拱桥跨径的不断增大也导致结构的非线性问题更加突出。相较于成桥阶段，吊装施工阶段拱桥的结构形式和荷载分布有较大差异，特别是在缆索吊装斜拉扣挂和灌注管内混凝土施工阶段，结构尚未完成从钢管混凝土结构到钢筋混凝土结构的转换，刚度相较于转换后还很低，稳定性容易受到各种因素作用影响。

因此，本文针对影响大跨度钢管混凝土拱桥施工稳定性因素中的风荷载，以设置缆风的云台通江河特大桥有限元模型为依托，研究不同缆风设置情况对大跨度钢管拱桥拱肋稳定性的影响。

2.工程概况及吊装方案

云台通江河特大桥主桥净跨径380m，净矢跨比为1/4.65，拱轴系数为1.83。主拱采用等截面悬链线无铰拱。拱圈采用三拱肋，三拱肋间以横联连接，每个拱肋为单箱单室截面，拱圈截面高度和宽度分别为6.5m和7m。

拱圈标准段顶、底板厚度45cm，腹板厚35cm，拱圈拱脚设置2m长实心段和2m过渡段，拱圈顶、底板厚度从过渡段沿拱轴线至第1道箱内隔板由100cm渐变为80cm，腹板厚度为55cm，第1道箱内隔板至第3道箱内隔板顶底板厚度采用80cm，腹板厚度采用55cm；顶底板厚度通过4.5m渐变段由80cm变为60cm；顶底板厚度沿拱轴线长度方向至第6道箱内隔板范围内采用60cm，腹板厚度采用35cm；最后通过4.5m长度渐变为标准断面。

劲性骨架为型钢与钢管混凝土组成的桁架结构，每肋上、下各两根φ540（外径）×18（22）毫米、内灌C100补偿收缩自密实砼的钢管砼弦杆、弦杆通过横联角钢和竖向角钢连接而构成型钢-钢管混凝土桁架，在拱肋横联设置交叉支撑，加强横向连接。

劲性骨架节段安装采用两岸对称悬拼，采用吊装系统吊装劲性骨架节段。每拱肋劲性骨架每半跨分10个吊装节段和一个合龙段。每两个吊段为一扣段，每一扣段中，前一吊段采用临时扣索扣住，待后一吊段就位后张拉正式扣索后拆除临时扣索。

3.主拱圈单片拱肋吊装过程有限元分析

根据钢管混凝土拱肋的材料特性并结合本桥的实际情况考虑，主桥及劲性骨架计算按空间杆系单元理论，采用Midas Civil 2021建立有限元模型。扣索和缆风采用空间桁架单元，其余均采用空间梁单元，主桥计算模型如图3.1所示：

图3.1 结构计算模型

初步计算不考虑塔架模型，扣索塔架部分按铰接边界条件施加。拱脚底部采用固结支座模拟，六个方向自由度受到约束，扣索塔架部分按铰接边界条件施加。拱架合龙一共采用12个施工阶段模拟。

3.1无缆风模型有限元分析

首先建立不设置缆风的有限元模型。在结构自重及扣索索力以及整体升温的作用下，通过有限元模型计算出合龙阶段前10阶稳定安全系数和对应的失稳模态以及最大应力为279MPa，稳定安全系数结果如表3.1所示。

表3.1无缆风合龙阶段屈曲稳定安全系数

由表3.1可知，合龙阶段整个体系屈曲稳定安全系数最小只有3.38＜4，不满足规范要求，故需考虑加上缆风。

3.2有缆风模型有限元分析

考虑在上风向60m岸侧设置缆风锚定，缆风设定在6号节段端部，每组由9根φ15.2钢绞线组成，初步施加张拉力为300KN。最大应力为183Mpa，稳定安全系数结果如表3.2所示

表3.2有缆风合龙阶段屈曲稳定安全系数

在缆风的作用下，合龙阶段的稳定安全系数最小值为9.32＞4，对比不考虑缆风的情况稳定安全系数提高了176%，且满足规范要求，故可以认为，增加缆风可以使稳定安全系数有较大的安全储备，使单片拱肋的稳定性大大提高，且最大应力相比于不加风缆减小了34%。

4.结论

本文通过建立不同缆风设置情况的有限元模型，计算了不同缆风设置情况下单片拱肋的线弹性屈曲稳定安全系数，得出如下结论：

1）在大跨径劲性骨架拱桥的吊装过程中，不设置缆风极有可能导致稳定安全系数不满足规范要求，设置缆风可以大大提高稳定安全系数，使得单片拱肋不容易发生面外失稳。

2）设置缆风可以大大降低大跨径劲性骨架拱桥吊装过程中的最大应力，使结构具有更多的应力储备。

参考文献

[1]张富贵,张永水,董义,等. 大跨劲性骨架拱桥外包混凝土浇注方案[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）,2012,31(2):210-213,238.

[2]鲍虹秀,宋久俊. 拱桥缆索吊装施工技术[J]. 技术与市场,2011,18(12):109.