钢管混凝土拱桥缆索吊装系统扣索设计及索力验算.pdf

浙江建筑， 第 3 3卷， 第 7期 ， 2 0 1 6年 7月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，V o 1 3 3 ，N o 7 ， J u 1 2 0 1 6 钢管混凝土拱桥缆索 吊装 系统扣索设计及索力验算 Ca b le De s i g n a n d Ch e c k i n g Ca lc u l a t i o n o f Ca b l e F o r c e f o r t h e Ca b l e Ho i s t i n g Sy s t e m o f t h e Re i n f o r c e d Co n c r e t e Ar c h Br id g e 姚 杰 o J i e ( 中铁十六局集团第三工程有限公司 ， 浙江 湖州 3 1 3 0 0 0 ) 摘要 ： 结合芜湖市新建袁泽桥带副拱的 中承式变截 面钢管混凝土集束拱桥 吊装 施工 ， 介绍了缆索 吊装系统扣 索设计及 索力 手算 的计算方法 ， 为同类工程提供技术和方法参考 。 关键词 ： 钢管拱桥 ； 缆索 吊装 ； 扣索设计 ； 索力计算 中图分类号 ： U 4 4 8 2 2 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 6) 0 7 0 0 3 00 5 缆索 吊装 系统是 当前 钢 管混凝 土 拱桥 吊装 架设 常见的一种施工方法。内力计算一般采用软件的居 多， 手算的极少。软件计算结果通常具 有保 险系数 过 大 、 计算 模 型一 致等 弊 端 ， 而 施 工过程 往 往是 千 变 万化的， 特点 、 施工工艺的不同必然会导致其受力状 态不一样 ， 软件计算结果现场可操作性不强， 且数据 难 以复核 。新建袁泽桥钢管混凝土拱桥采用缆索吊 装系统吊装 ， 其中扣索作为 固定钢管拱 肋临时受力 构件 ， 需根据计 算数据 进行张拉 ， 数据 精确度要求 高。下面结合芜湖市新建袁泽桥带副拱中承式变截 面钢管混凝土拱桥 吊装施 工 ， 介绍扣索设计及索力 计 算 。 1工 程 概 况 芜湖市袁泽桥主桥采用带副拱的中承式钢管混 凝土拱桥 ， 拱圈 由主拱和副拱组成 。主桥拱圈与拱 座基 础 固结 ， 主桥 跨 中主 梁采 用钢 格构 叠 合梁 模式 ， 半飘浮体系设计 。主拱圈轴线采用悬链线 ， 理论 拱 轴线拱 脚 水 平 距 离为 1 3 5 m， 矢 高 3 O m， 矢 跨 比 1 ： 4 5 ， 拱 轴 系 数 m =1 5 ， 两拱 肋 轴 线 横 向 间 距 2 6 7 5 m， 主拱圈共划分为 1 1 节段。见图 1 。 2 扣 索设计 及索力计算 钢管 拱肋 分 1 1段 吊装 合 龙 ， 每 侧 4个 扣 段 ， 中 间设置 一合 拢 段 。 每 一扣 段 设 左 右对 称 两 个 扣 点 ， 扣索通过索塔上的索鞍转向 ， 锚 固在 主地锚上 。扣 挂 系统 是采 用 千斤 顶钢 绞 线斜 拉扣 挂 法 和后地 锚 系 统 ， 技术比较先进 。使用千斤顶钢绞线斜拉扣挂法 施 工 的主要 优 点有 ： 1 ) 采用高强、 承载力大 、 延伸量小 、 变形 稳定的 钢铰线作为定位拱肋 的斜拉扣索 ， 减少了架设 过程 中不稳 定 索 的非 弹性变 形 ； 2 ) 采用千斤顶张拉系统对斜拉索加卸拉力 、 收 放索长 ， 张拉能力大 、 行程控制精度高 、 索力调整灵 活 、 锚 固可 靠 ； 3 ) 斜拉扣挂系统 自成系统 ， 不受缆索 吊装系统 的干扰 ； 4 ) 可以准确地计算悬 拼架设过程 中各施 工阶 段 的索力 、 延伸量 ， 以及 由此而产生的大段接头预抬 高值 ， 作为施工实施控制的依据 。 根据现场场地布置情况及地形环境 ， 将千斤顶 钢绞线斜拉扣挂系统 与缆索 吊机系统分开设 置 ， 相 互独立 ， 互不干扰 。扣索采用 1 5 2 4高强低松弛 钢绞线 ， 钢绞线破断强度为 1 8 6 0 MP a ， 两岸各设扣 索 8组 ， 对称 同型设 置 。拱 肋扣 点设 在 下 弦管0 1 0 2 L ( L为 吊段 长度 ) 范 围处 ， P锚 锁定 ； 张拉 端 设 在 后地锚 ， 群锚锚 固体系 。 收稿 日期 ： 2 0 1 60 42 6 作者简介 ： 姚杰( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 浙江长兴人 ， 工程师 ， 从事铁路 、 公路 、 市政 以及其他 工程 的施工管理工作。 3 2 浙江建筑 2 0 1 6年第 3 3卷 图 4 C段 及其对 B段影响的扣 索力计 算模型 C段就 位 后 ， 对 B段 产 生 桥 轴 线 方 向 的 推 力 日 和 向下 的压力 ， 由此引起 B段扣索力增量 P ， 计 算 如下 ： H = Pc c o s 0P = 1 51 42 4 c o s 41 2 7 4 4。 = 1 1 3 8 0 4 k N V = QcPc s i n 0 P= 3 00 1 51 4 2 4s i n 41 2 7 4 4。 = 2 00 1 1 l kN M A=0 ： A P + H h A B =V x A B AP ： ： 1 0 4 21 2 kN a B 3 ) D段就位后， 扣索力 P 。及 P 、 尸 B 的计算。 D段扣 索力 计算 模 型见 图 5 。 图 5 D段及 其对 B段、 C段影响 的扣 索力计算模型 M =0 ： P D 。 。=Q jP 。 苎 鱼 ： ：1 9 8 02 8 kN 9 0 8 6 D段 就位 后 ， 对 C段 产 生 桥 轴 线方 向 的推 力 日 和向下的压力 ， 由此引起 c段扣索力增量 AP ， 计 算 如 下 ： H= Pc c o s 0 P = 1 98 0 28 x c o s 2 9 51 8 6。 = 1 7 2 3 23 k N V =Q DP D s i n 0 P= 28 0 1 98 0 28 s i n 29 5】 8 6o = 】 8 2 4 3 0 k N M B=0 ： A P c 口 c + H h B c=V x B c APc = V x B c HhB c = 8 7 9 5 2 k N 同样 ， AP 对 B段 产生 桥轴 线方 向的推 力 日 和 向下 的压力 ， 由此 引起 B段 扣 索力 增 量 AP ， 计 算 如下 ： H = H + AP c o s 0 = 1 7 2 3 2 3 + 8 7 9 52 C O s 41 2 7 4 4。 = 2 3 8 4 2 4 kN V ： V 一 P s i n 0 ： 1 8 2 43 0 8 7 9 5 2s i n 41 2 7 4 4。 = l 2 4 41 1 k N M A = 0 ： A p B 。 B + H h A B = A B A pB ,： !二 ：一4 5 1 0 7 k N B 4 ) E段就 位后， 扣索力 P 及 P D 、 P 的计 算 。 E段扣 索 力计 算模 型见 图 6 。 图 6 E段及其对 D段 、 c段 影响的扣索力计算模 型 第 7期 姚杰： 钢管混凝土拱桥缆索吊装系统扣索设计及索力验算 3 3 M 。=0 ： P E 。 =Q P = 警 = 7 2 6 k8 3 6 9 N E 一 0 一 一 J 7 E段 就 位后 ， 对 D段 产生 轴 线 方 向的推 力 日 和 向下的压力 ， 由此引起 c段扣索力增量 P ， 计算 如 下 ： H= PE e o s O P = 3 9 7 21 6 c os l 9 6 4 6 5。 = 3 7 4 0 92 kN V= qEPE s i n O P= 3 5 0 3 9 7 21 6s i nl 9 6 46 5。 = 21 6 4 5 0 k N Mc ：0 ： P 。 0 。 + c 。=V x c 。 P ： V Xc o - Hh c ： 1 03 5 9 7 k N o D 同样 ， P 。 对 C段产 生 轴线方 向的推 力 和 向 下的压力 ， 由此引起 c段扣索力增量 P ， 计算 如 下 ： H = H + PD c o s 0P = 3 7 4 09 2 + 1 03 5 9 7 X c o s 2 9 51 8 6。 = 4 6 4 2 4 2 k N V = V 一 PD s i n0 P = 21 6 45 0 1 0 3 5 9 7 X s i n 2 9 51 8 6。 = 1 6 5 4 0 7 kN M B=0 ： P c 口 c + H h B c= B c j A P c ： ! ! 二 望 ： 一 9 2 21 5 k N 0 C 2 2 拱段 最 大扣 索 力的确 定 合拢段安装后 ， 拱肋闭合形成整圈， 已成简支结 构 ， 整体 拱肋 处 于铰支 状 态 ， 但 拱肋 上不 会 发生 附加 外力 ， 各段扣索力也不会增 大。 为更安全起见 ， 第三 段 对 第一 段 索力影 响值 为 负 值 不 进 行 叠 加 计算 ， 确 定各 拱段 最 大扣 索力 如下 ： B段 最大 扣 索力 为 P ：P +P = 1 7 8 7+ 1 0 4 21 2 = 28 2 91 2 k N ； C 段 最 大 扣 索 力 为P = P + P = 1 51 4 2 4 +8 7 9 5 2 = 2 3 9 3 7 6 kN： D段 最 大 扣 索 力 为 = P 。 + P 。 = 1 98 0 2 8 +1 0 3 5 9 7 = 3 01 6 2 5 kN： E段最大扣索力为 =P =3 9 7 2 1 6 k N。 2 3 扣 索的选 定 扣索采 用 1 5 2 4高强 度 低 松 弛 钢 绞线 ， A = 1 4 0 m m ， R ：= 1 8 6 0 MP a 。 锚下控制应 力取为 =0 7 5 R ：=0 7 5 X 1 8 6 0 =1 3 9 5 MP a ， 则 单根 钢 绞 线允 许 破 断 拉 力 为 ： t P = AP o r = 1 4 0 X 1 0一 m 1 3 9 5 1 0 kNm = 1 953 kN 。 扣 索 安全 系数 = T p = nt e 3 j 钢绞线根 数 n 一3 P P 式 中 ： n为扣 索 中 的钢绞 线 根 数 ； P 为确 定 的最 大扣索力 ； ， 为单根钢绞线允许破断拉力 。 从 而 得 ： B 拱 段 钢 绞 线 根 数n = 一 旦 = p =4 3根( 取为 6根) ； _ i 斗 恨L 耿刀恨 ； c拱段 钢绞 线根 = 3 P c = = 3 7根 ( 取 为 6根 ) ； 。拱 段 钢绞线 根 = 3 P c = = 4 6根 ( 取 为 6根 ) ； E拱段 钢 绞线根 数 3 P E = 鱼= 6 1 根 ( 取 为 8根 ) 。 根 据上 述 分 析结 果 ， 拱 肋 节 段 悬 拼施 工 过 程 中 各 节 段 的 扣 索 内 力 蛮 化 情 况 见 表 1 表 1 各节段 的扣 索内力表 施工过程 B #索 c #索 D #索 E #索 扣 B段扣索索力 k N 1 7 8 7 扣 C段扣索索力 k N 1 0 4 2 1 2 1 5 1 4 2 4 扣 D段扣索索力 k N一4 5 1 0 7 8 7 9 5 2 1 9 8 0 2 8 扣 E段扣索索力 k N 一9 2 2 1 5 1 0 3 5 9 7 3 9 7 2 1 6 各段扣索索力合计 k N 2 8 2 9 1 2 2 3 9 3 7 6 3 0 1 6 2 5 3 9 7 2 1 6 选 用钢 绞线根数 6 1 5 2 4 6 1 5 2 4 6 1 5 2 4 8 1 5 2 4 钢铰线安全 系数取 3 注 ： 表中索力 为一个 固定端锚具上 的索力值 。 3 施 工 控 制 在施工过程中， 拱圈线型竖 向位移采取索力 和 高程测量双控法 ， 水平位移根据测量值用风缆进行 调节。钢结构对温度 比较敏感 ， 一天 中 2 4 h随时都 在 变 化 ， 其 线 型随着 外 界 周 边 温 度 高 低 以及 钢结 构 本 身 冷热 不均 进行 位移 变形 。为 了更 好地 做好 施工 控 制 ， 克 服 消 除 外 界 不 利 因 素 ， 我 们 选 定 凌 晨 4 ： 0 0 ： 0 0 5 ： o 0 ： 0 0( 太 阳出来 前 ) 作为最佳观测 时 段 ， 其线型和索力均 以此时段测量结果为准。 浙江建筑 2 0 1 6年第 3 3卷 4 结 语 该桥在 2 0 0 9年 5月 2 0日至 6月 1 5日进行 B、 C、 D、 E拱 段安 装 ， 在安装 过程 中索 力 张 拉 控 制值 均 在计算正常误差范围之 内， 各拱段接 口固结前拱肋 轴线 、 高程均呈稳定状态 ， 误差值符合设计要求 。事 实证明 ， 内力计算采用手算法， 有几个方面好处： 一是 计算方法通俗易懂 ； 二是索力与测量高程误差之间相 对关系可随时进行验算； 三是施工时发生索力突变或 线 型 明显 偏差 时 ， 可 及 时排 查 根源 之 所 在 ； 四是 施 工 安全 质量可控 。桥梁建 成后 ， 经 监控 单位 实测 拱肋 各 监控点内力值符合设计要求 ， 运行状态 良好。 参 考 文 献 1 陈宝春 钢管混凝土 拱桥设 计与施 工 M 版社 1 9 9 9 2 张志发 钢管混 凝土 拱桥 的施 工技 术 J 2 0 0 2 ( 4 )： 4 1 4 3 北京 ： 人 民交通 出 广东 土木 与建 筑 ， 3 孙晓红 钢管 混凝 土拱 桥施 工监 控与 拱肋 吊装 计 算 D 福 卅 I ： 福州大学 。 2 0 0 4 ( 上 接 第 2 9页 ) 3 1 入 土过 程 中 自旋 角度 对 比 由表 3可知 ： 总体来说 ， 自旋桩头在砂土中的旋 转 角 度略 大 。 3 2静 载试 验 中承 载 力对 比 由表 4分 析 可知 ： 1 2根 桩 头在 砂 土 中 的极 限 承 载力 均大 于 在黏 土 中的极 限 承载 力 。 4 结 语 本 文 通过 1 2根 压 人 式 自旋 桩 头 在 黏 土 中 的人 土阶段和静载试验阶段 的试验 ， 分析了 自旋桩 头叶 片角 度 、 叶片 宽度 、 叶片数 量 的改 变对 自旋 桩头 自旋 角度 和承 载 力 的影响 ， 得 出 了如下 结论 ： 1 ) 叶片角度越大 ， 桩头旋人 土体 的角度越大 ， 桩头越容易进入土体。 2 ) 单 叶片 和 双 叶片 中叶 片 角度 变 大 ， 承 载力 提 高 ； 而三叶片角度变大 ， 承载力不变。 通 过压 人 式 自旋 桩 头 在黏 土 和 砂 土 中的对 比 ， 得 出了如 下结 论 ： 1 ) 自旋桩头在砂土中的旋转角度总体上略大。 2 ) l 2根 桩 头 在 砂 土 中 的极 限承 载 力 均 大 于在 黏 土 中的极 限承 载力 。 参 考 文 献 1 陈 日宏 ， 罗 明 混凝 土螺旋 预制 桩 ： 中国 ， C N 9 9 2 2 4 8 9 3 0 P 1 9 9 90 80 2 2 孙鸣 钢筋混凝土螺 旋桩可 行性分 析 J 天 津城市 建设学 院 学报 ， 2 0 0 1 ， 7 ( 3 ) ： 1 8 71 9 0 3 张亚军 ， 董天文 ， 梁力 ， 等 竖向承压螺 旋桩基础 极限承载 力判 定 J 辽 宁工程技 术大学 学报 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 5 7 0 5 7 3 4 董天文 ， 梁力 ， 王炜 ， 等 抗拔螺旋桩 叶片与地基 相互作用试 验 研究 J 工程力 学 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 1 5 01 5 5 5 祝世平 全螺旋灌注桩承载特性 的研究 D 长 沙： 中南 大学 ， 2 0 0 6 6 胡家忠 滚压成型螺 旋灌 注桩受 力 机理分 析 D 北 京 ： 北 京 交通大学 ， 2 0 0 8 7 路培 国 压入 式 自旋桩 头在 砂土 中承 载特 性 的研 究 D 扬 州 ： 扬州大学 ， 2 0 1 4 8 中国建筑科学研 究 院 G B 5 0 0 0 7 -2 0 1 1建 筑地 基基 础设计 规 范 S 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 1 2 9 中国建筑科学研究 院 J G J 9 4 -2 0 0 8建筑 桩基 技术 规范 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 1 O Wi l s o n G T h e b e a ti n g c a p a c i t y o f s c r e w p i l e s a n d s c r e w c r e t e c y l - i n d e r s J J o u r n a l o f t h e I n s t i t u t i o n o f C i v i l E n g i n e e r s L o n - d o n，1 9 5 0， 3 4： 49 3 1 1 T r o fi me n k o v J G， Ma r u i p o l s h i i L G S c r e w p i l e s a s f o u n d a t i o n s o f s u p p o s a n d t o w e r s o f t r a n s m i s s i o n l i n e s J S o i l Me c h a n i c s a n d F o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g ( Os n o v a n i y a F u n d a me n t y I Me k h a n i k a G r u n t o v ) ， 1 9 6 4( 4 ) ： 2 3 22 3 9