拱肋吊装（精选6篇）
拱肋吊装 篇1
钢管混凝土结构是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种组合结构，由于在材料性能和施工方法上的优越性，将其应用于以受压为主的拱桥之中是十分合理的，它对于桥梁建造节约材料、减轻自重、提高跨越能力、方便施工、缩短工期都有着积极的意义。
1 钢管混凝土拱桥拱肋吊装阶段施工控制的特点及内容
对于大跨度钢管混凝土拱桥而言，在空钢管成拱阶段的施工控制中，影响控制的主要因素是空钢管成拱的方式。通常成拱方式有两种：一是转体法;二是缆索吊装斜拉扣挂法。对于转体施工，在成拱前拱圈结构已形成，结构分离支架的状态要特别予以注意;转动期则重点在于状态监测、合龙时机以及是否作技术处理。这些因素对形成拱后的受力状态影响较大，必须作好控制。对于斜拉扣挂法施工，在吊装过程中拱段几何状态(轴线长度)难以改变，需对拱段无应力加工状态作出正确预测。拱肋的线形是通过多段拱肋在空中组装形成的，调索方案的确定，拱段的精确定位，在什么样的状态下进行拱段接头的处理以及处理到什么程度(固结还是铰接)将直接影响成拱状态。
大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装阶段施工控制的目标是保证施工中的安全和成拱内力与线形尽可能的满足设计要求。对于采用斜拉扣挂悬臂拼装法施工的大跨度钢管混凝土拱桥空钢管成拱阶段施工控制的主要内容应是：
(1)预制拱段无应力几何状态的确定与控制;
(2)拱肋吊装和合龙前、后各接头的标高、拱肋中线、各拱段扣索力、扣塔偏位的控制。
总的控制原则是：在确保拱肋稳定的情况下，采用变形与应力双控，以变形控制为主，兼顾应力。
各阶段的控制方法主要有：
(1)通过改变扣索的张拉力来实现拱段接头标高的调整;
(2)通过拱段定位标高调整无应力制造线形;
(3) 通过设置足够的浪风索来调整和控制拱段就位时的中线位置, 约束拱肋合龙时的横向偏移, 减小成拱的自由长度, 增大横向稳定性, 约束外力作用下拱肋的横向位移。
总之，控制手段主要还是施工过程中针对确定的吊装方案的结构受力、变形和稳定模拟分析为基础，通过对施工中天线垂度及索力、塔架位移、拱肋中线、高程、应力等的跟踪监测，理论计算与实测值的比较和误差分析、调整，来对结构状态甚至施工方案进行必要的调整，使施工及结构状态处于控制中。
2 拱肋吊装阶段的监测
施工监测是大跨度钢管混凝土拱桥施工控制的基础，大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程复杂，影响其施工控制目标顺利实现的因素很多，在施工中必须对重要的结构设计参数和状态参数进行监测，以获取反映实际施工情况的数据和技术信息，不断根据实际情况修正原先确定的各施工阶段的理想状态，使施工状态始终处于控制范围之中。
施工一个拱段称为一个阶段，为改善施工过程中的钢管混凝土拱肋的受力，主拱圈合龙前每阶段分成两个工况：
(1)吊装拱肋节段到位，确定前端标高，连接接头拧紧;
(2)安装缆风索和扣索，逐步松掉缆吊索，调整扣索索力至控制值，检验拱肋节段前端定位标高。如果标高、塔偏不能满足控制要求，则调整当前段扣索、背索索力值，必要时调整连接接头转角，再次测量前端定位标高、塔偏，直至满足控制要求。
3 拱肋吊装阶段施工控制结构分析计算
大跨度钢管混凝土拱桥施工控制吊装阶段结构计算的主要内容有：钢管混凝土拱肋的制作线形、施工状态下状态变量的理论数据和施工控制数据理论值。钢管混凝土拱肋的制作线形等于设计线形加上预拱度值，预拱度值由正装计算所得累计位移反号所得。对于拱段接头转角可以微调的情况，拱肋的制作线形可按成拱线形定。空钢管拱肋控制线形=制造线形(设计线形+预拱度值)-空钢管无铰拱自重挠度曲线。
施工状态下状态变量的理论数据主要包括各关键截面的应力，各关键点的挠度、标高，各阶段的扣、背索索力等。
施工控制数据理论值主要指施工控制过程中下达施工控制指令值，主要包括：扣索张拉索力、拱肋节段的安装定位标高、扣塔塔顶偏位等。
4 钢管混凝土拱桥的调索方案
对于采用缆索吊装斜拉扣挂法施工的大跨度钢管混凝土拱桥，通常用两种调索方法来保证空钢管实际成拱线形满足设计要求。一是一次张拉法，即每个节段安装时只张拉当前索，但每个节段定位时需要给定该节段的标高预抬量，通过在节段的上弦或下弦设置垫片来实现，空钢管合龙去扣索后刚好达到目标线形。这种方法关键是标高预抬量需计算精确，否则去扣索后实际线形与目标线形的吻合程度将达不到设计要求，线形控制难度较大。二是通过特定的调索方案，在斜拉扣挂直至空钢管合龙的过程中，始终以制造线形作为目标线形，在制造线形的基础上不另设预拱度，也不调整各拱段之间的转角，空钢管合龙去扣索后刚好达到目标线形，这样施工过程中线形理论数据就是制造线形，不需随工况的不同而不一样，主拱的内力分布也合理均匀，线形控制相对简单，但索力的调整方案就比较复杂。第二种调索方案又可分为调整当前两对索法即动态调索法和改进的动态调索法。调整当前两对索法适用于当前节段安装完成时与前一节段首先铰接，待下一节段安装完后再固结的情况;动态调索法是对所有已安装拱段的索力均进行调整，主要用于计算绝对零位移下的理论索力;改进的动态调索法是根据具体情况对部分已安装节段的索力进行调整，使各拱段的累计位移基本为零。按以上的索力调整方案可进行具体的索力计算，索力计算方法可以采用影响矩阵法。影响矩阵法的基本原理如下：
设为影响参数列阵，为状态变量列阵，在正装计算中分别让各参数发生单位变化，可计算出第j个参数P对第i个状态变量Si的影响量三Sija，从而得到影响参数对某一工况状态变量的影响矩阵，该种矩阵每一工况均有一个。
如果该工况的状态变量实测值已获得，其值用表示，而相应的理论值用表示，则状态变量误差为：
设待识别的参数误差为, 则有
其中m>n, 这是一个矛盾方程组,
可用最小二乘法求得其解:
对于一次张拉法，可把每个工况当前段的张拉力作为影响参数，计算影响矩阵的工况选为空钢管合龙去扣索工况，取该工况每个拱段前端的累计位移作为状态变量。可把主拱带扣索一次落架所得每个拱段的索力作为初张拉力，以此初张拉力进行正装计算，取空钢管合龙去扣索工况各拱段前端累计位移与该状态下设计累计位移的差值作为误差，解(4.3)式即可得每个拱段初张拉力的调整量。用张拉力的初值加上调整量即得每个拱段在安装时的张拉力。
对于动态调索法，可把每个工况所有已安装拱段的扣索力作为影响参数，计算影响矩阵的工况为当前拱段扣索张拉完成的工况，取该工况每个拱段前端的累计位移和塔偏作为状态变量。该工况所有已安装拱段的扣索力的初值可取为上一工况计算出来的扣索索力，以该索力进行张拉所得各拱段的累计位移值作为误差，解(4.3)式即可得当前拱段张拉时各根扣索的调整量。用各根索张拉力初值加上调整量即为该工况下所有已安装拱段扣索的张拉力。
对于改进的动态调索法，把计算所得的扣索张拉力与上一工况计算的扣索索力 (即初值) 进行比较，若索力变化量很小(小于10kN～15kN)，则该根索不进行调整。把剩下变化较大的索作为影响参数，重新进行以上计算，即得到该工况下需要进行调索的张拉力。
对于一次张法，只需进行一次计算即可得到各拱段的安装索力;对于动态调索法和改进的动态调索法，每个拱段的安装工况均需进行一次以上计算。用以上方法计算出扣索张拉力之后，还需进行一次正装计算，检验各工况下的累计位移和塔偏是否满足事先确定的目标。
混凝土拱桥预制拱肋吊装施工技术 篇2
由于拱桥桥身自重较大且施工精度要求严格, 箱形拱桥的吊装是施工过程中的难点。目前, 通用的箱形拱桥吊装方法主要有支架施工和无支架施工两类:支架施工主要针对现浇混凝土拱桥, 其施工工期长, 可能造成环境污染且施工人员安全无法有效保证;无支架施工包括缆索吊装、转体施工和竖直提升等方法[3], 缺点主要是安装主索塔、锚碇、扣索等困难。
利用浮吊技术, 形成了以拱肋预制场预制和混凝土拱桥支架预拼装为主要特点的新型施工工法, 该工法获得高度认可。
1 工程简介
该改建工程是在原桥下游新建一座与原桥外观相似、结构相同的主跨为三孔中承式 (L=108m) 钢管拱和两边跨上承式 (L=62m) 砼箱肋拱姊妹桥, 路线全长1072.98m, 其中桥梁长为584.44m, 主拱肋拱轴系数m=1.347, 净跨径为108m, 净矢高27m。本桥边拱肋为钢筋混凝土 (C50) 拱肋, 共计4片, 单片118.2m3。按照设计图将每片拱肋分为5段3种规格预制, 其中拱脚段1两节 (1-1、1-2) , 拱段2 (2-1、2-2) 两节, 中间拱段3一节, 如图1所示。
2 施工工艺流程
2.1 工艺原理。
单片拱肋预制分5段, 按照设计拱度在预制场预制;水中插打钢管作临时支架, 支架上用钢板搭设工作平台;浮吊按照设计吊点准确停靠, 垂直起吊拱肋节段, 浮吊移动至既定位置, 将拱肋节段在拼装支架上停留, 施工人员在支架平台上用方木、千斤顶按设计线型、高程进行控制并辅助合拢, 合拢拱肋采用从拱脚向中部对称安装的方式, 如图2所示。
2.2 施工工艺流程
2.2.1 水中支架搭设。
拱肋安装采用搭建水中支架, 在支架上安装预制节段的方法进行。由于节段重量轻, 临时支架采用插打钢管支架, 按图3所示。采用φ630-10螺旋钢管作立柱, 20#槽钢作平联及剪刀撑;立柱顶设双40#工字钢横梁, 横梁上方拱肋位置布2道双56#工字钢纵梁。
2.2.2 拱肋预制。
拱肋在预制场预制, 首先进行场地基础填筑, 用C15砼配置部分钢筋制作台座;表面铺装δ6钢板, 按照设计坐标用电脑精确放样, 底面精心磨光, 涂隔离层, 侧板采用钢模板, 用上下拉杆定位。拱肋段的线形、长度和断面尺寸应精确控制。利用砼罐车及预制场龙门架上的电动葫芦和料斗进行浇注, 砼的现场振捣严格按照规范进行。
2.2.3 浮吊吊装及合拢。
浮吊基本数据如表1所示, 要求其各项性能指标可以完全满足本次吊装的需求。利用浮吊船运输已预制好的拱肋, 采用单台浮吊进行吊装作业。安装边拱肋时, 按照设计吊点准确停靠, 垂直起吊拱肋节段, 浮吊移动至既定位置, 将拱肋节段在拼装支架进行安装。
(1) 拱脚段1。将拱脚处清理干净, 埋置2cm钢板, 预埋件采用400×400 (mm) 、δ25钢板, 背后焊接δ20锚固钢筋3对, 预埋件与承台钢筋焊接, 在δ25钢板前绑扎1块同样大小的δ50木板做工后封闭砼保护层。拱箱节段垂直起吊后, 将拱段端部缓缓向拱脚侧移动, 直至端部与拱脚相连接, 拱段下部顶住拱脚底边, 拱段两边与拱脚处的两边线对齐;逐步调整前后浮吊吊索, 使拱节段达到设计预拱度, 指挥拱肋缓慢向限位工字钢靠拢并贴牢。
在拱肋移动过程中, 注意不可将拱肋节段猛烈撞击限位工字钢, 以避免支架发生变形, 或者因水平撞击力过大造成临时墩剧烈晃动。当拱段节段接近控制轴线时, 从拱肋端部下口的中线位置悬挂线锤, 指挥浮吊使线锤中心逐步向临时墩顶的拱肋轴线靠拢, 同时用全站仪测定拱段接合处高程, 当基本吻合后, 使钢丝绳受力缓慢转移至临时墩上进行临时锁定拱脚节段。当钢丝绳受力全部放松后, 用全站仪复测拱段接合处高程及拱轴线, 高程较设计高程抬高20cm, 以便顺利对接。确认拱段顶高程偏差符合设计要求后放置方木、千斤顶, 用木楔子配合楔紧, 焊接钢筋固定。
(2) 拱段2。拱段2的吊装首先要保证与1的拼装处符合要求。测量人员事先在两段接合处刻划拱轴线。浮吊将拱段2垂直吊装, 缓缓移动拱段, 将拱段举高至超过接头标高, 然后缓慢下降, 尽量保持拱段的拱轴线在正确的位置上, 直至伸入顺水流方向的限位工字钢内。在与拱脚段1的接合处, 现场操作人员通过指挥浮吊保证两拱段两边与底边对位, 对位后立即用千斤顶、方木辅助固定。
在支架平台上用方木、千斤顶按设计线型、高程进行合拢。合拢施工选择气温15~22℃, 合拢采用楔形木楔紧后再进行钢结构焊接。必要时采用40b工字钢作劲性钢构临时固定, 防止施工中出现位移。
拱段2的另外一边, 利用垂球保证拱段中心在拱轴线上;通过控制浮吊吊索保证端头较设计高程抬高10cm, 以便与中间段顺利合拢。当发现两边与工字钢距离相差超出设计允许值, 用葫芦对其矫正。当拱轴线位置对应, 两边无倾斜时, 全站仪复测符合设计精度时, 立即用千斤顶、方木辅助固定。拱段2吊装图4所示。
(3) 中间段3。中间段顺利合拢是整个拱肋吊装的关键。为减少安装误差, 宜在安装合拢段前反复测量两个边段的端口尺寸, 若偏差均能符合规范要求, 可依据实际的边段端口尺寸, 对合拢拱段的尺寸进修正。同时还需要考虑温度的影响, 宜在设计温度16~22℃进行合拢段的安装。测量人员事先在拱段2刻划出拱轴线及两边线, 顺水流方向两边预留5cm焊接工字钢, 以粗调中间拱段拱轴线。浮吊将中间拱段垂直起吊, 在现场操作员的指挥下, 平移到两边工字钢中间, 将拱段缓慢地垂直放下, 尽量保持拱段拱轴线在正确的位置上。当放到底边的找平钢板处, 操作人员用葫芦等工具保证中间拱段与两边拱段的准确对位, 复测拱顶轴线和拱底轴线。当拱肋标高、纵横向偏位均符合规范要求并确认无误后, 立即用千斤顶、方木辅助固定, 焊接钢筋将方木处固定。
(4) 拱肋合拢。缓慢调节拱肋两边千斤顶支撑高度, 达到拱肋无倾斜情况, 逐次缓慢减少预留高度。全站仪复测, 当各拱肋中心均在拱轴线位置, 在千斤顶辅助下逐渐合拢, 高程符合设计要求时, 将各处的钢板焊接 (包括拱脚处) , 用C50混凝土浇筑封闭。
3 质量控制与效益分析
3.1 质量控制
3.1.1 水中支架搭设。
φ630-10螺旋钢管采用90k W震动沉桩锤震动沉桩, 至反复震动10min以上, 钢管不再下沉时, 视为沉桩到位。如果河床底基岩裸露或覆盖层浅薄, 可将钢管插打至不再下沉后, 用钢结构同周围钢管相连, 再向桩周围抛填片石2m厚以上, 必要时在桩周围灌筑不少于50cm厚水下砼。
3.1.2 拱肋预制。
拱肋在预制场预制, 钢筋混凝土预制拱圈外形轮廓清晰顺直, 表面平整, 施工缝修饰光洁, 一般不应有蜂窝麻面, 无表面受力裂缝或缝宽不应超过0.15mm, 预制拱圈的质量检测标准如表2所示[4]:
砼浇注严格按照规范进行, 要求振至表面泛浆, 不再冒气泡, 砼不再下沉, 现场准备小振动棒, 配合附着振动器施工, 使用振动棒时应避免接触预应力筋。
3.1.3 拱肋吊装。
吊装拱肋的主要质量控制内容是安装接头的标高和拱肋轴线偏位, 一般控制要求如表3。
3.2 效益分析
3.2.1 本工法工艺简单。
在预制场预制拱肋吊装节段, 可以充分利用先进设备, 提高施工机械化和自动化程度, 节省大量支架和模板材料。
3.2.2
相对于成熟的缆索吊装工艺, 本工法既节省了主索塔的繁琐安装过程, 又省去了缆索吊装的主索塔、起重索、牵引索的受力分析与计算;同时, 主索地锚、侧揽风的地锚工程无需建设, 创造了巨大的经济价值。
3.2.3
支架现浇法虽可节省预制场的投入, 但一跨费用仍然高;采用本工法经济效益显著。
3.2.4
支架现浇法安全控制难点多, 一跨工期约100天, 存在安全隐患多;本工法一跨工期约50天, 安全性好, 并且能够确保质量, 满足设计要求, 社会效益显著。
结束语
由于目前箱形拱桥吊装方法 (支架施工和无支架施工) 存在一定缺点, 该改造工程, 形成了一套新型箱形拱桥吊装技术, 该方法以拱肋预制场预制和混凝土拱桥支架预拼装为主要特点, 主要包括水中支架搭设、拱肋预制、浮吊吊装及合拢等工序, 该施工工法具有良好的经济效益和社会效益。
摘要：由于拱桥桥身自重较大且施工精度要求严格, 箱形拱桥的吊装是施工过程中的难点。利用浮吊技术, 形成了以拱肋预制场预制和混凝土拱桥支架预拼装为主要特点的新型施工技术, 从水中支架搭设、拱肋预制、浮吊吊装及合拢等阐明了该工法的施工工序, 实践证明, 该工法具有良好的经济效益和社会效益。
关键词：混凝土拱桥,拱肋,吊装
参考文献
[1]姚庆.大跨度拱桥施工受力分析与控制[D].西安:长安大学, 2007.
[2]刘兴臣.大跨度箱型拱桥缆索吊装施工过程监控[D].成都:西南交通大学, 2008.
[3]全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会.公路工程管理与实务[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011.
拱肋吊装 篇3
1 钢管拱肋吊装的优化设计
对于钢管混凝土拱桥而言,施工理想状态控制的关键在于拱肋合拢后的线形及几何状态是否符合设计要求。选择有代表性的标高控制点,通过迭代优化求出的扣索初始张拉力能保证这几个标高控制点的标高与设计拱轴线相一致。同时监测每阶段拱肋钢管及扣索的应力保证在设计允许范围内。根据这些原则选取合适的设计变量、状态变量和目标函数,并约束相关的控制条件,依据钢管拱肋吊装的过程建立了相对应的优化预测分析模型。
在优化模型建立时,将每节段扣索的初始张拉力设置为设计变量,扣索的索力、拱肋内的应力、位移控制点的变动幅度设置为状态变量。采用一次张拉扣定法施工的钢管混凝土拱桥,一般以吊装某节段,使该节段位移量为零作为初始张拉力比较合理。所以优化的方向和目的是吊装某节段,使该节段的控制点位移为零。按此思想可以构造如下目标函数:
其中f为目标函数,S为设计变量,uj及σm为状态变量。
2 吊装预测分析模型的优化算法
2.1 非约束目标函数
目标函数f(S)不能写成显式形式,且属于多约束条件的优化问题,通过对目标函数添加罚函数的一阶方法将有约束的优化问题转化为无约束问题,式(1)经转化后的无约束目标函数形式如下:
Q(S,q)=f(S)+
其中Ps 、Pu、Pσ为罚函数,q为惩罚因子,决定了函数约束满意程度。
2.2 搜索方向及收敛准则
优化时,采用共轭方向法确定设计变量的搜索方向,取初始值S0的负梯度-ᐁQ(S0,q0)作为初始共轭向量d0,则第k个迭代点的共轭方向由下式确定:
获得搜索方向后,就可通过一维线性搜索找到下一个迭代点。
最优化计算的收敛性采用下式进行检验:
其中τ为目标函数的容许误差。
3 吊装预测分析模型的应用
3.1 工程实例
将以上建立的吊装预测模型应用于一座在建的上承式钢管混凝土桁架式拱桥,该桥净跨252m,拱肋弧长298m,净矢高38.769m,净矢跨比1/6.5,主拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.756。拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构。见图1所示。
3.2 优化模型预测结果
优化预测模型按前述建立。以各扣索的初始张拉力为设计变量,以各扣索的索力、拱肋控制截面的应力、拱肋位移控制点的变动幅度为状态变量并加以约束。构造拱肋位移控制点竖向位移的平方和为目标函数,利用有限元法求解,建立状态变量、目标函数与设计变量的函数关系。引入最优化计算理论,采用一阶优化方法,以设计拱轴线为最优化计算的评价指标,来确定合理施工状态,求得合理扣索力及预抬高量。
表1为采用一阶优化方法,进行优化计算得到一组最优解,其迭代过程如图2所示。从图3中可以看出扣索在施工阶段最大应力为496MPa,发生于2号扣索最后施工阶段。
从表2实测索力和计算索力比较来看,各扣索索力计算值与实测值吻合较好,说明建立的优化模型能较好的预测施工,且在满足各项约束条件下,实现了尽量小的合拢拱轴线形误差。
摘要：引入工程结构优化方法,利用基于前进分析的有限元法,对采用千斤顶斜拉扣挂法施工的钢管混凝土拱桥进行了吊装预测分析,进行了扣索索力及拱肋节段预抬高的最优化计算,确定了一定约束条件下,空钢管拱肋吊装结构最合适的施工路径。
关键词：钢管混凝土拱桥,吊装预测
参考文献
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].人民交通出版社.2000.
[2]郑皆连.特大跨径RC拱桥悬拼合拢技术的探讨[J].中国公路学报,1999,12(1).
拱肋吊装 篇4
缆索吊装法是先用缆索吊装系统分段吊装空钢管拱肋, 吊装后以斜扣索扣住, 为方便合拢, 各段应略有上抬, 全部吊装完毕后再使拱肋合拢, 合拢后逐步落下, 调整到设计标高, 然后放松扣索, 以空钢管为劲性骨架灌注管内混凝土。在拱肋吊装时, 由于扣索应变导致拱肋节段标高产生偏差, 因此要计入扣索变形对拱肋标高的影响。
1 工程概况
某钢管混凝土拱桥主桥净跨280 m。钢管拱采用缆索吊机吊装施工、悬臂扣挂, 单拱肋顺桥向分11个吊装节段 (全桥22段) , 节段长25～30 m, 节段重47～57 t, 横撑重8.72～29.73 t, 最大吊重小于60 t。整个钢管拱共35个吊装节段, 吊装总重约1 500 t。考虑到280 m的大跨度与11节段吊装的稳定性, 拱脚选用每根弦管一个简单铰, 形成纵、横向在吊装阶段都是双铰支承。拱肋节段安装顺序如图1所示。具体工序为:1) 安装南岸B节段和2号K撑;2) 安装北岸A节段和1号K撑;3) 安装北岸C节段和3号K撑;4) 安装南岸D节段和4号K撑;5) 安装南岸F节段和6号K撑;6) 安装北岸E节段和5号K撑;7) 安装北岸G节段和7号K撑;8) 安装南岸H节段和8号K撑;9) 安装南岸J节段和10号K撑及临时横撑;10) 安装北岸I节段和9号K撑及临时横撑;11) 安装合拢段和拱顶H撑。
该文仅对北岸进行分析, 南岸可同理得到。钢管拱桁架节段长度、重量参见表1, 相关计算参数取值见表2。
注:临时横撑重8.7 t。
2 数值法
钢管拱桁架在计算扣索索力时, 可以将其视为一个曲梁, 划分成若干个梁单元, 扣索相对于拱桁架而言结构刚度可视为无穷小, 即可将其设为一个只有面积而无抗弯刚度的杆单元, 横撑可作为集中荷载加在梁上, 其单元划分见图2。可以由ANSYS软件计算得出各测点挠度值。该文仅列出最复杂的合扰之前节段有限元划分图, 其它节段吊装可依次类推。
3 解析法
扣索受力伸长后, 拱脚可视为铰接, 而节段刚度较大, 一般可视为刚体, 如图3所示。因此可按变形协调关系进行计算, 具体如下
undefined
式中, undefined、h、h1、h2、φi、αi详见图3;Δli为第i根扣索变形量, Δli=Tili/EAi;li为扣索索长, Ai为扣索截面积, Ti为扣索索力, E为扣索的弹性模量。
4 塔架偏移影响
塔架偏移指拱肋吊装时, 扣索与锚索水平分力不同造成塔架发生水平偏移, 导致拱肋节段标高偏差。设塔架发生偏移dx后, 根据扣索变化前后长度不变的假定, 利用三角关系可求出在塔架偏移dx的情况下, 拱肋节段可能产生的标高变化, 如图4所示。根据上述2种方法, 可得出在各阶段索力作用下, 扣索伸长对测点标高的影响值, 如表3所示。
/mm
注: 1) 挠度值方向以向上为正;2) 所求得的挠度值考虑塔架偏移的影响。
5 结 语
节段挠度值的控制好坏与否, 直接关系到成桥线形是否平顺。为满足成桥后拱轴线的设计线形, 事先要计算出裸拱线形 (预拱轴线) , 再根据钢管拱吊装施工程序确定出裸拱线形基础之上的拱肋施工预抬高值既挠度反值。为了使主拱满足设计线形, 最可行的方案是通过理论分析和现场测试来实现的。其主要内容涉及到钢管拱和塔架的应变控制、扣索的内力控制和钢管拱肋的标高控制。该文采用数值法和解析法, 针对扣索变形对节段高程的影响进行了分析计算, 验证了数值方法的有效性。
参考文献
[1]沈成武, 杜国东, 何雄君, 等.大跨度钢管混凝土拱桥吊装过程的索力逆分析[J].武汉交通科技大学学报, 1998 (3) :223-226.
[2]张弘涛.大跨度钢管混凝土拱桥设计方法与施工控制[D].西南交通大学, 2006.
[3]田仲初, 陈得良, 何斌.大跨度拱桥拱圈拼装过程中扣索索力和标高预抬量的确定[J].铁道学报, 2004 (6) :81-87.
拱肋吊装 篇5
国外学者Oden曾经说过“我们生活在一个非线性世界里”,早在19 世纪末期,科学家就意识到非线性问题; 并进行了大量的研究。从数学的角度来说,线性问题就是任意两个解进行叠加仍然是一个方程的解。而非线性问题则指不按比例、不成直线的关系,代表不规则的运动和突变。在桥梁建设发展过程中,我国以及国外学者[1—7]已经意识到非线性问题对于钢管混凝土拱桥的影响,并做了大量的研究。严格来说,桥梁结构受力问题均是非线性问题,所幸的是绝大部分结构可以用线性问题进行计算; 并具有较高计算精度。然而有些特殊结构受非线性因素影响较大,采用线形近似计算已经不能满足工程要求。
结构的非线性问题可以分为两大类: 几何非线性以及材料非线性。钢管混凝土拱桥在拱肋吊装期间,结构均处于弹性受力阶段,因此在进行非线性分析时只考虑几何非线性问题而不去考虑材料非线性问题[8]。徐升桥[9]对丫髻沙大桥的非线性问题进行了研究,发现在施工荷载和运营阶段荷载作用下,结构均处于弹性阶段,几何非线性对于结构影响小于10% 。张明远[10]采用自行编制的程序利用前进算法对钢管混凝土拱桥非线性问题进行了分析,考虑几何非线性因素影响计算结果偏大10% 左右。从上述研究可以看出,非线性因素对成拱后影响均在10% 左右。
随着钢管混凝土拱桥跨径的增大,拱肋在吊装过程中,为了保证能够对拱肋线形进行精确调整,越来越多采用先铰结后固结的施工工艺。然而既有研究均是对拱肋固结状态下的非线性影响进行研究,在特大跨径钢管混凝土拱桥吊装过程中,拱肋存在铰结和固结两种不同的边界条件。在实际工程中发现按照既有钢管混凝土拱桥非线性影响研究结论,对在拱肋铰结状态下对拱肋进行计算分析和实际状态误差较大。本文以波司登大桥为工程背景,通过对拱肋在铰结和固结两种不同状态下的受力状态进行分析,对拱肋在这两种状态下受非线性影响情况进行了研究,并对其影响的根本原因进行了分析。
1 拱肋吊装结构特性分析
主拱圈在吊装过程中,主要受到扣索索力、拱座对拱肋的反力以及自重作用,拱肋自重主要依靠拱座反力以及扣索竖直方向分力平衡。拱圈作为钢管混凝土拱桥的主要受力构件,在拱圈合拢后结构刚度很大。在拱肋吊装过程中,拱肋处于悬臂状态,结构刚度比合拢后弱。在大跨径钢管混凝土拱桥的拱肋吊装过程中,为了便于对线形调整,通常在前几个吊装阶段对拱脚进行铰结,此时拱肋( 不考虑扣索)属于机动体系。处于铰结状态的拱肋自身转动刚度为零,拱肋很容易在外力作用下发生转动,从而引起拱肋线形发生变化。随着拱肋悬臂长度增加,为了保证结构的稳定性,此时对拱脚进行封铰。在封铰后,拱肋可以依靠自身刚度抵抗外力引起的转动,此时拱肋在受到外力作用时线形变化幅度不会太大。
斜拉扣挂中的扣索通常采用钢绞线,从受力特性来看钢绞线属于柔性索结构,其抗弯刚度可以不考虑。扣索在施工过程中主要受拉力和自身重力作用而呈现悬链线状,其垂度受索力大小和索长的影响。当索长度越大、索力越小时,其垂度越大。受到索的垂度效应影响,扣索下端与水平方向夹角要小于线性计算时的角度,造成扣索作用在拱肋上索力角度不同,从而引起拱肋的线形和内力发生变化。
2 拱肋吊装阶段受力分析
封铰在拱肋吊装过程中是一个重要的体系转换,下面分别对封铰前拱肋铰结以及封铰后拱肋固结的受力进行分析。
2. 1 拱脚固结受力分析
在拱脚固结状态下,拱肋( 不考虑扣索) 是静定体系,拱肋可以依靠自身的刚度抵抗转动。拱肋在吊装期间均为悬臂受力结构,如图1 所示。以拱肋为分析对象,根据《结构力学》悬臂梁位移计算公式[11],拱肋竖向位移可以用式( 1) 进行计算。
式( 1) 中: yv为拱肋竖直方向标高; T为扣索索力; L1为扣索作用点到拱脚距离; E为拱肋弹性模量; I为拱肋截面惯性矩; α 为扣索与水平方向夹角; γ 为拱肋与水平方向夹角。
从式( 1) 可以看出,拱肋标高与结构刚度、长度、扣索索力、扣索与水平方向夹角以及拱肋与水平方向夹角有关。由于拱肋刚度通常较大,扣索与水平方向夹角变化较小时,拱肋标高受其影响较小。由此可以看出,几何非线性造成扣索作用在拱肋上角度不同,不会引起拱肋状态太大变化。
2. 2 拱脚铰结受力分析
和拱脚固结状态受力不同,铰结状态下拱肋( 不考虑扣索) 是机动体系,拱肋在扣索索力、自重以及拱铰对拱肋产生的轴力共同作用下达到平衡,如图2 所示。由于拱肋不能依靠自身刚度抵抗转动,当扣索索力大小或方向发生变化时,拱肋会发生转动使得结构重新处于平衡,从而导致拱肋线形发生变化。
由于拱脚是铰结状态,拱脚处弯矩为0,由此可以得到式( 2) 。
式( 2) 中: G为拱肋自重; L为拱肋在水平方向投影长度。
将上式进行化简可以得到
式( 3) 包括变量 α,以及常量T和G。为了分析 α 和 γ之间关系,绘出式( 3) 函数图如图3。
从斜拉扣挂系统的设计上来考虑,扣索和水平方向夹角均在( 0°,90°) 之间,由图3 可以看出在这个范围内,γ 随着 α 的减小而增大。
拱肋端头标高直接受到拱肋转动角影响,由此可以得到:
将式( 3) 带入可以得到
从式( 5) 可以看出,拱肋标高与拱肋长度、拱肋自重、扣索索力以及扣索与水平方向夹角有关,与拱肋的刚度无关,扣索与水平方向夹角产生变化时,会对拱肋线形引起较大变化。在进行非线性分析时,由于扣索的垂度效应,扣索下端和水平方向夹角比线性分析时要小,由此会导致拱肋端头标高产生变化,因此在求解扣索索力时,需要同时考虑几何非线性的影响。
3 工程实例分析
波司登大桥位于四川省泸州市合江县榕山镇,是泸渝高速的控制性工程。主桥为跨径为530 m的中承式钢管混凝土拱桥,其跨径位居同类桥型世界第一。主拱圈采用缆索吊装斜拉扣挂法施工,全桥共分为4 × 9 = 36 个吊装节段,最大吊装重量达到197 t。拱肋吊装前6 节段拱脚采取铰结,在第6 节段吊装完成后,对拱脚进行封铰形成固结。吊装的顺序如图4 所示: 先吊一岸的一侧拱肋,再对称的吊另一岸的一侧拱肋,待两岸上下游拱肋均焊接固定好后再吊其各自拱肋节段的横撑。安装好一个节段的拱肋和横撑后,再进行下一节段拱肋及横撑的吊装,如此循环直到拱圈合拢。
在第6 节段吊装之前,拱脚为铰结,拱肋为机动体系; 第六节段对拱脚进行固结,拱肋成为静定结构。下面选取拱肋吊装第二节段以及第六节段作为研究对象,分别研究在不同体系下,几何非线性对结构的影响。
3. 1 拱脚铰结几何非线性影响
为了对几何非线性影响进行分析,下面分别利用有限元计算模型对拱肋吊装第2 节段建立4 个对比模型。
模型1: 采用桁架单元模拟扣索,进行线性分析。模型2: 采用索单元模拟扣索,进行线性分析。模型3: 采用桁架单元模拟扣索,进行非线性分析。模型4: 采用索单元模拟扣索,进行非线性分析。四种计算模型结果如表1 所示。
上述四个计算模型中,边界条件以及荷载均相同,为了便于分析,列出了拱脚、第一节段中间[( 1 /4) L]、第一节段端头[( 1 /2) L]、第二节段中间[( 3 /4) L]以及第二节段端头( L) 标高。
注: 标高偏差= 计算标高-制作标高
为了便于对结构线形进行分析,将各模型计算结果绘制成图5。
从表1 及图5 可以看出,模型1、模型2 以及模型3 的线形计算结果与实测数据相差较大,标高最大误差达到0. 183 m。模型4 计算结果与实测结果接近,最大误差为0. 011 m。由此可以看出,在铰结状态下拱肋线形受到几何非线性影响较大,计算分析时必须考虑非线性的影响。
虽然模型3 计算分析时考虑了非线性影响,但是模型3 采用桁架单元模拟扣索,不能模拟出索单元的垂度效应。模型4 采用索单元模拟扣索,同时考虑了几何非线性的影响,能够准确考虑扣索的垂度效应。由于垂度效应影响,扣索下端与水平方向实际夹角要小于桁架单元计算时角度。根据公式( 3) 的可以看出,当扣索索力一定时,扣索角度变小,拱肋与水平方向夹角会增大,从而导致拱肋的线形整体升高,表1 的计算结果也证明了这一推断。
模型1 和模型2 对结构均进行线性计算,没有考虑非线性的影响,模型2 计算出的拱肋标高比模型1 计算结果略低。这两个模型不同的是: 模型1采用桁架单元模拟扣索,而模型2 采用索单元模拟扣索。在有限元软件计算中,索单元在进行线性计算的时候会自动转化为桁架单元,然后根据Ernst公式修正弹性模量。导致模型2 中扣索伸长量比模型1 中略长,故而模型2 中拱肋标高略低于模型1计算结果。虽然模型2 根据Ernst公式进行了修正,但是其线形计算结果和实测数据相差较大。Ernst公式修正的本质是将几何非线性问题转换为材料非线性,不能考虑索力作用角度的变化。由此可以看出在铰结状态下,拱肋非线性问题根据Ernst公式进行修正不能得到准确计算结果。
结构应力是计算中关注的重点,四种模型应力计算结果如表2 所示。
从表2 可以看出,模型4 的应力计算结果和实测数据最为接近,最大误差1. 1 MPa。模型3 应力计算结果和实测数据最大相差1. 5 MPa,模型1、2应力计算结果和实测数据最大差值分别为1. 9 MPa和1. 7 MPa。由此可以看出: 拱肋在铰结状态下,无论是采取线性还是非线性计算对应力计算结果影响均在10% 以内。
3. 2 拱脚固结几何非线性影响
拱肋在第六节段进行了封铰,拱肋形成固结。下面以拱肋吊装第六节段为分析对象,研究拱肋在固结状态下几何非线性的影响。分别建立两组模型,两组模型中荷载和边界条件均相同。
模型5: 拱肋吊装第6 节段,以桁架单元模拟扣索,进行线性分析。模型6: 拱肋吊装第6 节段,以索单元模拟扣索,进行非线性分析。
为了便于对结果的分析,以每个拱肋节段端头作为观测点,模型5 与模型6 的线形与应力计算结果如表3 所示。从表3 可以看出,模型5 线形与实测值最大相差为0. 011 m,模型6 线形与实测值最大相差为0. 009 m。模型5 应力与实测值最大相差为3. 1 MPa,模型6 应力与实测值最大相差为3. 3MPa。可以看两个计算模型的结果与实测值都很接近。
拱肋在封铰后已经形成静定体系,模型5 虽然没有考虑几何非线性影响,扣索作用在拱肋上索力角度与实际情况有所不同,但是拱肋此时可以通过自身刚度来抵抗索力角度变化对拱肋的转动,故而拱肋线形、应力和实际情况相差不大。
4 结论
通过对钢管混凝土拱桥拱肋在铰接和固结两种结构体系下的分析,可以看出在两种不同结构体系下,几何非线性对拱肋影响有很大不同。
( 1) 拱肋处于固结状态时,非线性因素对结构线形和应力影响较小,采用线性计算的精度能够满足要求,这和既有研究结论是一致的。
( 2) 钢管混凝土拱桥的拱肋处于铰结状态时,结构应力受非线性影响较小,而拱肋标高受到非线性的影响较大。波司登大桥吊装第二节段过程中,采用线性分析的结构标高误差最大0. 183 m,计算精度远不能够满足施工精度的要求,而进行非线性分析和实测结果最大误差为0. 011 m。大跨径钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程中处于铰接状态时,需要进行非线性分析以保证计算精度。
( 3) 在对铰接状态下拱肋进行分析时,不能采用Ernst公式来简化索的垂度效应计算。拱肋在铰接状态下对荷载大小以及作用角度敏感,Ernst公式的本质是将几何非线性问题转换为材料非线性问题,而不能考虑垂度效应对角度的影响,扣索的垂度效应导致扣索索力作用角度差异,是钢管混凝土拱桥拱肋铰结状态下,出现线性与非线性计算结果差别的根本原因。
参考文献
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拱肋吊装 篇6
1 影响矩阵法的定义
影响矩阵法最早应用于斜拉桥索力或内力调整计算中,它是将斜拉桥中关心截面的内力、应力或位移作为受调向量,以斜拉桥索力计算作为施调向量,通过影响矩阵法建立受调向量与施调向量之间的关系,生成一个线性方程组或者增加不等式约束构造成一个线性规划模型,求解该线性方程组或线性规划问题可得到施调向量的调整量。
建立的线性方程组如下:
[C]{X}={D} (1)
式中:{X}—待求的索力调整量;
{D}—达到目标状态需调整的量;
[C]—影响矩阵。
如果式(1)中未知量个数与方程个数相等且影响矩阵非奇异,则该方程组有唯一解。否则,可用最小二乘法进行求解。
用有限元法计算影响矩阵,可归结为如下步骤来进行:
(1)形成调值计算阶段结构总刚,并作LDLT分解;
(2)对施调元j循环;
(3)令第j号施调元调值量为1(单位量)形成相应的结构荷载列阵;
(4)回代求相应的节点位移;
(5)对受调元i循环,计算相应的受调元素di;
(6)重复(2)至(5)各步,就可生成所有的影响向量,从而生成影响矩阵[C]。
2 钢管拱肋线形调整的实现步骤
假设钢管拱肋吊装的某个阶段的理想状态下各控制点的标高为{W},而实际结构的控制点标高为{W′},则控制点的误差为{ΔW}={W}-{W′},此时可通过张拉吊装时的扣索对拱肋线形进行修正。设扣索数与控制点的个数均为n,扣索的调整量为{X},则应满足:
式中:
设在某吊装阶段需调整线形,该阶段控制点的误差为{ΔW},要想调整各扣索使误差减少,具体步骤为:
(1)形成该阶段结构的总刚;
(2)对每根扣索j循环;
(3)令第j号扣索的初应变量εj为一单位量,形成相应的结构荷载列阵;
(4)回代刚度方程,求出拱肋各节点的位移;
(5)对各控制点循环,从上一步求出的节点位移中取出控制点i的位移aij,放入影响矩阵
(6)求解线形方程组
(7)求出各根扣索的张拉伸长量及最后的张拉索力。
通过上述计算,得到为满足要求的线形所需要的扣索长度的调整量和扣索索力。
3 拱肋线形调整计算实例
某上承式钢管混凝土桁架式拱桥,净跨252m,拱肋弧长298m,净矢高38.769m,净矢跨比1/6.5,主拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.756。拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构,断面由4-Φ1000的钢管组成,高5.0m,宽2.5m,上下两对主钢管拱肋用12mm的钢缀板沿全长封闭构成主拱肋弦杆,在缀板间及钢管内浇注50号微膨胀混凝土。上下弦杆之间用Φ402×12mm的腹杆联结。两主拱肋间采用10榀K型风撑和1榀拱顶横撑做横向连接,风撑采用Φ610×12mm和Φ377×10mm的钢管。其钢管桁架拱肋采用千斤顶钢绞线斜拉扣挂缆索吊装施工法。每段拱肋分11段预制吊装。
假设该拱桥拱肋吊装完毕未封铰前,拱肋线形偏差{W}=[+0.005,+0.01,+0.015,+0.03]T(“+”表示拱肋控制点发生向下的位移),利用前述线形调整理论可求出各扣索长度的调整量和扣索索力,使线形满足施工理想状态。
各扣索长度调整量及扣索索力调整量见表1所示。
备注:表中索长调整量“+”表示扣索伸长,索力调整量“+”表示扣索需张拉加载。
4 结语
本文将用于斜拉桥索力或内力调整中的影响矩阵法应用于拱肋吊装过程线形误差的调整中,并假设一拱肋偏差工况,运用这一方法求出索力调整值,提出施工预案。在调索时,只需控制索力的增量或者扣索被拉出的长度就可实施调索。本文提出的方法只是假设了一偏差工况,有待施工阶段进一步验证。
摘要：针对桁架拱肋假设中出现的线形调整问题,利用影响矩阵法进行处理。通过该方法可得到为满足设计要求线形与标高所需要的扣索长度的调整量和扣索索力增量。通过封铰前的扣索调整,使实际拱轴线逼近设计拱轴线。满足精度要求。
关键词：大跨离钢管混凝土拱桥,线形调整,影响矩阵法
参考文献
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