无应力状态法在拱肋线形调整中的应用

时间：2024-07-28

王胡鹏

（中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉 430034）

无应力状态法在拱肋线形调整中的应用

王胡鹏

（中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉 430034）

以某采用缆索吊机斜拉扣挂法施工的大跨度钢管混凝土拱桥为背景，探讨了无应力状态法在该类桥梁拱肋吊装线形调整中的应用。通过推导扣索无应力长度变化量与索力变化量之间的关系，避免了传统调索方法受调索次序影响的缺点，并在该桥实践中进行了应用。结果表明，该方法用于拱肋线形调整可以满足工程要求。本文提到的线形调整方法可供同类桥梁的施工控制参考。

无应力状态法无应力长度钢管混凝土拱施工控制

引言

缆索吊装斜拉扣挂法是大跨度拱桥拱肋施工的一种主要方式[v]。该方法通过缆索吊装系统将各个拱肋节段吊运到位，与已经施工好的拱肋节段对接，并通过千斤顶扣挂系统将其固定，直至合龙。该方法具有张拉能力大、索力调整方便、控制精度高和锚固可靠等优点。在实际施工中，由于误差累积、索塔偏位、临时荷载等影响，拱肋实际线形将偏离理论控制值。为了保证拱肋成拱后的内力与线形满足设计要求，需要对拱肋线形进行监控[vi][vii]。当发现拱肋线形出现较大偏差时，可以通过张拉扣索进行调整，类似于斜拉桥中的“调索”。传统的调索计算方法以索力作为控制量，每根索之间相互影响，某一根索力调整时，必将影响其他扣索。而无应力状态法是指在一定的结构体系和作用体系下，通过精确控制结构构件的初始几何尺寸与形态（结构内力状态的控制为辅）来达到对桥梁结构最终成桥几何形态和内力状态控制的一种控制方法[viii][ix]。该方法以扣索的无应力长度作为控制量，直接得到扣索张拉前后索力增量与无应力长度变化量之间的关系，施工操作的自由度更大：通过计算扣索的无应力长度差，以锚头拔出量（或放回量）调整拉索时，不受调索次序影响，精度更容易保证[x]。

工程背景

某桥主桥桥型为(60+180+60)m的飞雁式钢管混凝土提篮式系杆拱桥，主桥长300m。主拱和边拱拱轴线均采用悬链线，主拱计算跨径180m，面内矢高45m，矢跨比为1/4，拱轴系数m=1.5，主拱拱顶间距为20.1m。边拱计算跨径120m，面内矢高16.021m，矢跨比为1/7.49，拱轴系数m=1.5。

图1 桥型布置图

该桥主拱肋分节段在工厂预制而成，现场采用缆索吊机斜拉扣挂法施工。主拱肋节段划分如图2所示，沿主跨中心两侧对称分为S1～S5（西岸）及S1’～S5’（东岸）共10个节段，中部设置合龙段。东、西两岸各布置5对扣索，1#～5#扣索均采用钢绞线，弹性模量均为195000MPa，有效断面积分别为560、840、840、1120和1400mm2。

图2 主拱肋节段划分图

该桥在主拱肋合龙前，西岸扣塔发生了较大的偏位，且在S5节段端部有一100kN的临时荷载，因施工条件限制，需要在主拱肋合龙后才能拆除。如图3所示，当前状态下西岸半拱肋各扣点处标高偏差最大达到了-0.111m，如果不对拱肋线形进行调整，合龙段将无法以无应力长度安装就位，主拱肋成拱后内力与线形也无法满足理论要求。

图3 拱肋实际状态高程偏差

扣索无应力长度变化量与索力增量关系推导

如图4所示，设定扣索张拉前后两个结构状态，其中结构状态1：扣索有应力长度为L1，无应力长度为L10，扣索断面积为A，扣索的弹性模量为E，索力为F1，环境温度为T1；通过给扣索施加张拉力，达到结构状态2：即扣索有应力长度变为L2，无应力长度为L20，索力为F2，并假定扣索张拉到位时环境温度为T2。

图4 两种结构状态

根据以上描述，易得到如下关系式：

式(2)-式(1)，并整理可得：

假设单位力引起的扣索有应力长度变化量为ε，即：

联立式(3)、式(4)：

式(6)中，ε代表索两端结构的刚度。可以看出，两个结构状态之间的索力增量ΔF只与其无应力长度L10、L20及两个状态的温度T1、T2有关。因此，以无应力长度作为控制量，避免了传统方法进行索力调整时受调索次序影响的缺点。

无应力状态法进行拱肋线形调整

上一节推导了扣索无应力长度改变量与索力增量之间的关系。本节利用推导结果，利用midas Civil分别建立该桥理想状态与实际状态的计算模型，计算两个状态的扣索信息（包括：扣索锚点坐标、扣点坐标、无应力长度及当前阶段的索力等）。

计算模型如图5所示，两个状态扣索锚点坐标及索力信息分别如表1～表2所示。