某跨度150ｍ的下承式鋼管砼系桿拱橋拱肋吊裝和扣索索力計算

1、鑒定文件之五XXX大橋綜合施工技術(shù)拱肋吊裝和扣索索力計算項目完成單位： 拱肋吊裝和扣索索力計算1工程概況XX大橋橫跨廣深、廣九電氣化高速鐵路及深圳火車北站站場共29股軌道，全長386.37m，其主橋為跨度150m（凈跨148m）的下承式鋼管砼系桿拱橋，矢跨比為1/4.5，拱軸系數(shù)為1.167，拱頂距地面高約43m。主拱結(jié)構(gòu)為兩片四肢格構(gòu)桁式截面，高3.0m，寬2.0m。每段拱肋四根弦管設(shè)對接內(nèi)襯套，合攏段的弦管中設(shè)有可移式內(nèi)襯套，每片拱肋分7段懸拼，最大吊重約37t，兩片拱肋的橫向中心線距離18.5m，橋面為預(yù)應(yīng)力鋼砼疊合板組合梁結(jié)構(gòu),寬23.5m。為安全、優(yōu)質(zhì)、快速的安裝主拱肋，經(jīng)過優(yōu)化比選

2、，施工上采用纜索吊機和扣索的方案進行空中無支架懸拼拼裝。2施工工藝流程根據(jù)現(xiàn)場情況并考慮操作簡便，經(jīng)過反復(fù)論證，本橋決定采用單肋懸拼合攏的方法。即完成7段拱肋的安裝合攏后，移動索鞍再安裝另七段拱肋，兩片拱肋全部合攏后最后安裝中間風(fēng)構(gòu)。單肋合攏采用每上一段即進行接頭焊接（拱腳段最后才焊接），其施工工藝流程圖(圖1)如下： 合攏段安裝工況4安裝拱腳鉸支安裝第一大段拱肋斜拉扣掛拱肋調(diào)整軸線、標高斜拉扣掛調(diào)整扣索施焊固結(jié)調(diào)整軸線標高扣索調(diào)整螺栓臨時連結(jié)安裝第三大段調(diào)整扣索接頭施焊固結(jié)螺栓臨時連結(jié)安裝第二大段拱肋斜拉扣掛拱肋工況1工況2工況3 3拱肋懸拼施工3.1各分段長度及質(zhì)量單片拱肋分7段懸拼，各分

3、段長度及質(zhì)量見下表段 號第一段第二段第三段第四段 （合攏段）質(zhì)量（KN）353295278270水平投影距離（m）19222222另：第一、二段扣點裝置重8KN，第三段扣點裝置重10KN，各大段接頭處的吊藍等施工荷載考慮12KN。3.2拱腳鉸支的安裝在拱肋懸拼過程中，為調(diào)整線型，拱腳段及預(yù)埋鋼板要預(yù)先設(shè)置鉸支，本橋的鉸支型式如下圖：通過扣索的張拉、松放、調(diào)整標高，軸線調(diào)整及橫向穩(wěn)定是通過側(cè)纜風(fēng)來完成。3.3各大段的聯(lián)接根據(jù)設(shè)計，各大段的接頭先采用16棵M24A的螺栓聯(lián)接，然后待標高、軸線調(diào)整到位后，即進行接頭環(huán)縫的焊接，最后在每根主管外用4塊=12mm的鋼圍板進行接頭處的外包施焊固結(jié)，然后才安

4、裝下一段。3.4合攏段的安裝合攏段設(shè)計長度為22m，為保證能夠快速、順利的進行合攏，本段在工廠制作時，兩邊端頭比設(shè)計各加長50cm，以待準確測量實際合攏段的長度后在現(xiàn)場進行劃線，切割余量，然后進行合攏。4.扣索計算4.1、結(jié)構(gòu)性狀及受力分析每段拱肋剛度相對于扣索剛度為極大值，故可視為剛體，各吊裝段重力按簡支斜梁模式分配于接頭A、B、C、D點。架設(shè)過程中，拱腳（A點）安裝了鉸，故不存在彎矩。其余大段接頭（B、C、D）在用臨時螺栓聯(lián)結(jié)時可視為鉸結(jié)，節(jié)點彎矩為零，當(dāng)施焊固結(jié)后不再存在接頭，二大段（或三大段）形成整體。d、三組扣索均是通過扣鞍輪曲轉(zhuǎn)向地錨進行錨固，扣索在扣鞍輪上屬滾動磨擦，故不考慮前后

5、繩的張力差，認為前索與背索張力是一致。e、索塔下端為鉸，塔底彎矩為零，扣塔采用纜風(fēng)進行前后固定，水平位移極小，對整個結(jié)構(gòu)受力可認為不受影響。f、拱肋端頭的側(cè)纜風(fēng)張力一般在30KN左右，其對扣索的影響很小，故計算時不考慮。4.2、計算簡圖如下圖3、4aA至B點的豎直距離bI至C點的豎直距離cII至D點的豎直距離S1拱腳A至扣索1的垂直距離S2接頭I至扣索2的垂直距離S3接頭II至扣索3的垂直距離n各扣索的水平夾角 n各段接頭至扣點的水平夾角S1A至第一組扣索的距離S2A至第二組扣索的距離S3A至第三組扣索的距離鋼拱肋的聯(lián)接，根據(jù)各個工況，按鉸接和固接分別考慮，第一、二、三段荷載由鋼拱肋加扣點裝置

6、和施工荷載組合考慮；合攏時按最不利情況考慮，第四段鋼拱肋重量的20%作用于第三段端頭。 、工況1第一段就位 A鉸：MA=0 T11×S1-W1×19/2-8×17-12×19=0 T11=（W1×19/2+364）/S1（KN） X=0 T11×COS1-NAX=0 NAX=T11×COS1 Y=0 T11×sin 1+NAy-W1-20=0 NAy=W1+20-T11×sin 1、工況2第二段就位,分兩種情況:a螺栓定位、調(diào)整標高、軸線,此時一、二段接頭按鉸計算： MI=0 T22×S2-W2

7、×22/2-8×20-12×22=0 T22=（W2×22/2+424）/S2（KN） X=0 T22×COS2-N1x=0 NI x=T22×COS2y=0 T22× sin2+NIy-W2-20=0 NIy=W2+20-T22× sin2 MA=0 T21×S1+NIx×a-W1×19/2-NIy×19-12×19-8×17=0 T21=（W1-19/2+NIy×19+364-NIx×a）/S1（KN） x=0 T21×C

8、OS1+NIx-NAx=0 NAx=T21×COS1+NIX y=0 T21×sin1+NAY-W1-N1y-20=0 NAy=W1+NIy+20-T21×sin1 b、接頭焊接后，一、二大段聯(lián)成整體，整個長度在重力、支座及扣索等作用下成為超靜定結(jié)構(gòu)，在節(jié)段較多時，計算此種曲梁的各組扣索內(nèi)力，往往要解多次超靜定方程，計算較為繁雜。本橋通過采用振頻（或應(yīng)變）測試，準確測出各組扣索的張力，以另一種途徑來確定一組（或多組）的內(nèi)力，然后把超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一般的靜定結(jié)構(gòu)來計算，最后確定所有扣索的內(nèi)力，對于本工況，通過張拉、松放鋼絞線先確定一組扣索內(nèi)力，然后再計算另一組扣索內(nèi)

9、力。此時可不調(diào)整第二組扣索而只通過調(diào)整第一組扣索以達到拱肋外力平衡， 即 T22=不變則 MA=0 T22×S2 +T21×S1 -W1×19/2-8×17-12×19-W2× 30-8×39-12×41=0 T21=（W1×19/2+W2×30+1168-T22×S2）/S1（KN） X=0 T22×COS1+T21×COS1-NAX=0 NAX=T22×COS1+T21×COS1 y=0 T22×sin2+T21×sin1

10、+NAy-W1-W2-40=0 NAy=W1+W2+40-T22×sin2-T21×sin1 、工況3第三段就位此時計算方法同工況2，只是在情況b時不調(diào)整第二、三組扣索而只調(diào)整第一組扣索。、工況4全拱合攏此時一、二、三段的軸線、標高已準確對位，先用螺栓聯(lián)結(jié)，再根據(jù)合攏溫度施焊合攏，在形成拱式體系前，考慮最不利的情況，第四段各有20%的重力作用于第三段接頭處，施工時一、二組扣索不調(diào)整，而通過張拉第三組扣索以使拱肋外力平衡，根據(jù)上面的計算原理，把各端參數(shù)代入計算得各索扣力，列表如下：號 前繩傾角 后繩傾角 工況1工況2工況3工況4合攏備注abAbT(KN)T(KN)T(kN)T

11、（kN）T（kN）T(kN)東126-36-31.0427-14-54.49164.3263.9258.8217.9219.1217.9A211-21-24.4427-58-5.8923923923923923935-20-31.09434.8434.8525.6Nx149473.6469864.9808.8955.3N5墩Ny303.8529.7531.9808.7808.2845.2N5墩137-35-11.0418-9-34.17169.4246.8242.2185.6186.7186.7西212-54-54.7619-11-16.4323223223223223234-10-33.84

12、57.3457.3550.1端Nx134.2421.7418829.3830.1922.7N4墩Ny269.7485.6488.4789.6789837.2N4墩5扣索選擇本橋跨徑較大，主拱肋鋼管拱肋分7段懸拼，兩片拱肋需要12組扣索，節(jié)段數(shù)量多、重量大，且要跨越深圳火車北站29道鐵路線，如用卷揚機滑車組鋼絲繩扣掛，需要較多的設(shè)備，現(xiàn)場無地方擺放，實施起來較為復(fù)雜和困難，經(jīng)比較，確定采用鋼絞線斜拉扣掛懸拼鋼管拱肋。根據(jù)上表各組扣索最大索力分別為T21=263.9KN，T22=239KN,T43=550.1KN,采用1860MPa的7J5的鋼絞線,其截面面積為140mm2,每根破斷力TP=186

13、0×106×140×10-6=260.4KN，由于一組扣索分扣于鋼拱肋的最外兩側(cè)，因此，各組鋼絞線數(shù)量采用2的倍數(shù)，安全系數(shù)取2，忽略塔頂摩阻力等其它影響。第一組扣索n1=T21/Tp×K=263.9/260.4×2=2.0取4根 安全系數(shù)K實=3.95第二組扣索n2=T22/Tp×K=239/260.4×2=1.84取4根 安全系數(shù)K實=4.36第三組扣索n3=T43/Tp×K=733.1/260.4×2=4.23取10根 安全系數(shù)K實=4.73主要考慮到本橋所處的地理位置比較特殊，上跨廣深、廣九電氣化

14、高速鐵路，同時又是多雨、臺風(fēng)區(qū)，故第三組扣索取10根，以保證即使第一、二組扣索失效，第三組扣索亦能獨立承受。5、實測數(shù)據(jù)及理論計算的對比 本橋南側(cè)拱肋從1999年6月28日晚上23：30正式開始吊裝至1999年8月1日南側(cè)拱肋合攏，其間各個工況的扣索索力測試結(jié)果與理論計算值列表如下（單根扣索的力，KN）:索號工況1工況2工況3工況4（合攏）abab東端1理41.16664.754.554.854.51實34.360574545452理59.859.859.859.859.82實525353.153.2533理43.543.552.63實393943西端1理61.760.646.446.746.

15、71實53524242422理58585858582實51515151513理45.745.7553實414147根據(jù)上表可以看出,其每根扣索的實際張力均小于理論計算值，究其原因，主要是因為在計算時，取其質(zhì)心在水平投影的中點上，而實際上對于懸鏈線的拱除中間對稱段其質(zhì)心在水平投影的中點外，其余6段實際上均是下偏，同時在實際施工中掛籃及其它施工荷載運沒有計算的大，故理論計算值比實際測試的結(jié)果偏大。7結(jié)束語： 7.1對于纜索吊機加扣索施工方法，在我處已有比較成熟的技術(shù)措施和施工經(jīng)驗且各種設(shè)備比較齊全、先進，所以在考慮一些大跨度、高空作業(yè)的橋梁的施工方案時，可以優(yōu)先考慮纜索吊機加扣索的方案。 7.2 采用鋼鉸線作扣索，近年國內(nèi)已在大力發(fā)展，施工工藝趨于完善，以前我處多為采用卷揚機牽引鋼絲繩作扣索，特別是多段懸拼時，此種方法需要比較多的設(shè)備及比較寬暢的場地，而采用鋼絞線作扣索，就不必需要那