钢管混凝土拱桥拱肋吊装分析与扣索索力优化.pdf
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1、第 4 O卷 , 第 5期 2 0 1 5年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h w a y E n g i n e e r i n g Vo 1 4 0,No 5 Oc t , 2 0 1 5 钢管混凝土拱桥拱肋 吊装分析与扣索索力优化 龚 子松 ( 同济大学 建筑设计研究院 ( 集团) 有限公 司,上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要 】斜 拉扣挂悬臂拼接法在大跨度 钢管混凝土拱桥拱 肋架设 中得 以广泛应用 , 其 中扣索是保证 施工安 全与质量 的关键。以某主跨 1 8 0 m 的钢管混凝土拱桥为例 , 采用基于 Mi d a s C i v i l 的未知荷载系数定 长扣索法进行
2、 优化计算 , 得到合理 的扣索索力和预抬高量 。实践表明 , 该方法简单实用 , 计算精度高 , 成拱 线形满足设计要求 , 且 扣索可 以一次张拉到位。此基础上 , 对拱肋 吊装过程进行静力和稳定性分析 , 得到一些有 益的结论 , 可为同类桥梁 的设计 、 施工 、 科研提 供参考。 关键词钢管混凝土拱桥;索力优化; 斜拉扣挂悬臂拼接法;预抬高; 拱肋吊装分析 【 中图分 类号 U 4 4 8 2 2 【 文献标识码 A 【 文章 编号 】1 6 7 4 一 o 6 1 o ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 2 0 8 0 6 Op t i mi z i n g Bu c k l i
3、n g Ca b l e Fo r c e a n d Re s e a r c h o n t h e Ri b h o i s t i n g Fo r CF ST Ar c h Br i d g e GONG Zi s ong ( T o n i A r c h i t e c t u r a l D e s i g n ( G r o u p )C o , L T D S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t f a s t e n i n g s t a y c a n t i l e v e r a s s e
4、mb l i n g me t h o d i s w i d e l y u s e d o n t h e R i b - h o i s t i n g o f t h e l o n g - s p a n CF S T a r c h b r i d g e,t h e b u c k l i n g c a b l e i s t h e k e y t o e ns ur e c o n s t r u c t i o n s a f e l y a n d q ua l i t y A CF S T a r c h b r i d g e wi t h a ma i n s p
5、 a n 1 8 0 m wa s t a k e n a s a n e x a mpl e i n t hi s p a p e r , A o p t i mi z a t i o n c a l c u l a t i o n me t h o d Ba s e d o n Mi d a s Ci v i l u nk n o wn l o a d c o e f f i c i e n t o f fix e d - l e n g t h bu c k l e c a b l e i s u s e d,t h e r e a r e t h e r e a s o na b l
6、e b u c k l i n g c a b l e f o r c e s a n d p r e s e t l i f t i n g a mo u n t o f t h e e r e c t e d r i b s e g me n t s P r a c t i c e s h o ws t h a t t h i s me t h o d i s s i mp l e a n d pr a c t i c a l ,h i g h c a l c u l a t i o n p r e c i s i o n, t h e a r c h s ha p e me e t t
7、h e de s i g n r e q ui r e me n t s ,a n d t h e b u c k l i n g c a b l e s c a n b e t e n s i o n e d t o t h e i r t a r g e t f o r c e v a l u e s o n l y a t o ne t i me On t h e b a s i s ,t h e s t a t i c a n d s t a b i l i t y a n a l y s i s o f a r c h r i b h o i s t i n g pr o c e s
8、 s i s d o n e Th e o b t a i n e d c o n c l u s i o n s c a n b e u s e d t o b u i l d i n g d e s i g n,c o n s t r uc t i o n a n d t he s c i e n t i f i c r e s e a r c h o f t he s a me k i n d o f Br i d g e Ke y w o r d s C F S T a r c h b r i d g e ; o p t i mi z i n g b u c k l i n g c a
9、 b l e f o r c e ; f a s t e n i n g s t a y c a n t i l e v e r a s s e mb l i n g me t h o d;pr e r a i s e d h e i g h t ;r e s e a r c h o n t h e r i b h o i s t i n g O 引言 拱肋线形 。 钢管混凝土拱桥的钢管拱肋架设是该类桥梁施 工 中风险最大、 难道最大的关键性工序 , 目前主要的 施工方法有转体施工法和斜拉扣挂悬臂拼接法 。 转体施工法施工过程 中稳定性不易控制 , 且需要做 大型球铰, 多在施工条件受限、 地
10、形合适时才用。多 数大跨径钢管混凝土拱桥都采用斜拉扣挂悬臂拼接 法, 即将拱肋制作成多个节段 , 各节段通过扣索锚固 于扣塔上, 架设过程 中除第一段拱肋与拱座铰接外 , 其余各节段间均为固接 , 待合拢后再封铰、 拆扣索成 拱 , 施 工时 多通过 调 整索 力 和设 置预 抬 高量 来 控 制 1 拱肋 吊装扣索索力计算方法 采用斜拉扣挂悬臂拼接法架设拱肋 , 施工过程 复杂 , 结构体系不断改变 , 施工控制难度大 , 合理的 扣索初张力和预抬高量是控制拱肋线形的关键。常 用 的计 算 方 法 有 : 零 弯 矩 法 、 零 位 移 法 、 弹 性 一 刚 性 支撑法 、 优化分析方法等
11、 。零 弯矩法假定各节 段拱肋接头为铰接 , 索力需多次调整 , 存在安全隐 患; 零位移法中难以保证支点反力 的合力方向与扣 索的方向一致 , 且可能出现负索力 ; 弹性一 刚性支撑 法计算繁琐 , 精度低; 优化分析法是指按照某种标准 收藕 日期 】2 0 1 4 0 5 1 3 作者简介龚子松 ( 1 9 8 7 一) , 男 , 江西南 昌人, 工学硕士 , 助理工程 师, 主要从事桥梁设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 龚子松 : 钢管混凝 土拱桥拱肋吊装分析 与扣索 索力优化 2 0 9 从所有满足要求的可行性方案 中找出最优方案
12、。 基于 Mi d a s C i v i l 的未知荷载系数定长扣索法是 一 种基于影响矩阵的优化分析方法 , 其优化模型可 用式( 1 ) 描述 : Ku=F ( 1 ) 式 中: K为整体刚度矩阵 ; “为位移 向量; F为荷载 产生的节点等效力向量。 由式( 1 ) 可知:拱肋 吊装时 , 拱肋的位移 n是扣 索索力 s的函数 , 则可将求解扣索索力 问题转化为 求解如式( 2 ) 的有约束极小值问题 : 求S ( s l , s 2 , , s ) 使 , ( s ) = 【 u j ( s ) 一 ra i n 满 足 0s i 一 s o i:1, 2, , m ( | s )一
13、 一u j 一v =l , 2 , , 日( 2 ) 一 【 o r 】 or k or】 k=1 , , , M 式中: s ) 为 目标函数; S为设计变量( 扣索索力) ; “ ( S ) 为状态变量( 第 个标高控制点竖向位移 ) ; o r 为状 态变 量 ( 第 k个 内力 控 制 截 面 应 力 ) ; s 为 i 号 扣索索力 ; 瓦 为第_ 个控制点期望位移 ; 、 为拱肋标 高允许偏差上、 下 限; or 】 为 钢管的容许应 力 ; s 。为 扣索的容许应力; m为扣索的安全系数 ; N为扣索总 数 ; 日为标高控制点总数 ; 为应力控制截面总数 ; 2 工程 实例 2
14、1 工程 概 况 某桥为主跨( 6 0+1 8 0+ 6 0 ) m的飞燕式钢管混 凝土拱桥, 主桥长 3 0 0 m,吊杆 间距为 5 0 m, 拱肋 内倾 1 1 5 0 。 , 拱顶横向间距为 2 0 1 m, 拱脚横 向间 距 为 3 8 0 4 3 m。 主拱 拱 肋 采 用 钢 管 混 凝 土 桁 式 结 构 , 面内矢高为 4 5 m, 矢跨 比L=1 4 。拱肋 间通 过 横撑 连接 , 在 与桥 面交 接处设 置 一道钢 横撑 , 桥 面 以上共设 置三 道 “ 一 ” 字 型 风 撑 。钢 管 拱 肋 采 用 斜 拉扣挂悬臂 拼接法架设。每片拱肋分 9个节段制 作 , 全桥
15、共 1 8个节段 , 各节段参数如表 1 所示。吊 装时共设 1 6组扣 索, 1 一4 # 扣索分别采 用 5根 、 6 根 、 6根、 l 3根 。 l 5 2 0 n l m高 强低松弛钢绞线 , 单 根 钢 绞线 截 面面 积 为 1 4 0 m m , 抗拉 强 度 设 计值 为 1 8 6 0 MP a 。 千 斤 顶斜拉 扣 挂 系统布 置如 图 1 所 示 。 本桥采用定长扣索法施工, 扣索一次张拉到位 , 后 期不再 调 整 , 拱 肋 节段 预先设 置抬 高量 , 通过 扣索 的弹性 变形 和后 续拱 肋节 段对 本节 段拱肋 的影 响 实 现标高的调整 , 使拱肋合拢时达
16、到设计线形 , 该方法 表 1 拱肋节段参数 Ta b l e 1 Pa r a me t e r s o f a r c h r i b s e c t i o n 节段号 弧长 m 重量 t 节段号 弧长 m 重量 t 第 1段 2 3 6 1 5 7 0 6 第段 2 2 9 3 0 6 2 3 第 段 2 3 1 3 8 6 2 1 合拢段 1 7 7 3 5 5 0 8 第 段 2 3 2 7 1 6 1 1 圈 1斜拉扣挂 系统布置图 Fi g ur e 1 Th e c a b l e h o i s t i n g s y s t e m a r r a n g e me n
17、t 克服了以往每吊装完一个节段都要调整扣索索力的 繁琐, 施工工艺简单、 安全。 2 2模 型 的建立 拱肋 的无应 力拼装 线形在工厂预制时就已确 定, 拱肋拼装时 , 为保证切线安装 , 后期拱肋节段会 因已安装拱肋悬臂端的位移而变形 , 即存在大变形 问题。则拱肋拼装时结构的位移包括荷载引起的累 计位 移 和 切 向安 装 产 生 的 虚 拟 位 移 , 为 此 Mi d a s C i v i l 提供了赋予新激活构件初始切 向位移 的模块。 但该软件的优化模块中位移约束只能提供结构的荷 载累计位移 , 为弥补这一缺陷提出在模拟拱肋架设 时, 模拟安装第 1 段拱肋 时就一次性将 I一
18、节段 拱肋全部激活 , 采用加反 向等效梁单元荷载将其他 未施工的节段拱肋 自重抵消, 后面每拼装一个节段, 就钝化相应 的反 向自重等效荷载 , 如图 2 , 图 3所示 分别为模拟施工第 1、 节段拱肋的计算模型。 扣索 索力 计 算 模 型如 图 4所 示 , 施 工 阶段 划 分 如表 2所 示 。拱 肋 架设 完 成前 拱 脚为 铰 接 , 通 过 释 图 2 吊装 第 1节段 拱肋模拟 Fi g ur e 2 Si mul a t i o n o f Li fti n g t h e f i r s t s e g me n t a l a r c h r i b 图 3吊装第 1
19、 I 节 段拱 肋模 拟 Fi g ur e 3 Si mul a t i o n o f Li fti ng t he s e c o n d s e g me n t a l a r c h r i b 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 0 公路工程 4 0卷 放梁端转角约束实现 , 拱肋、 横撑用梁单元模拟 , 扣 索用索单元模拟 , 模型中共有 2 0 8 8个梁单元 , l 6个 索单元。 图 4 计算分析模型 Fi g u r e 4 Ca l c u l a t i o n a n d a n aly s i s mo de l 表 2 优化
20、扣索索力模型施工阶段划分 Ta b l e 2 Th e c o ns t r u c t i o n p h a s e p a r t i t i o ni n g o f o p t i mi z i n g t h e b u c kl e c a b l e f o r c e mo d e l 序号 施工阶段 拱脚铰接 , 激 舌 I一节段和 一反向 自重等效 荷载 张拉 1 扣索 钝化第 节段反向 自重等效荷载 张拉 2 扣索 施工第一道横撑 钝化第节段反向 白重等效荷载 张拉 3 扣索 施工第二道横撑 钝化第 反向 自重等效荷载 张拉 4 扣索 施工合拢段 施工拱顶横撑 拱脚封
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