平南三桥斜拉扣挂系统扣索拆除研究

摘 要：平南三桥为575 m跨径的CFST拱桥，其斜拉扣挂系统扣索多，部分扣索夹角小。如果采用“分级拆除、依次循环拆除”的传统拆索方案，则施工工作量很大，因此提出了逐根拆除扣索的拆索方法。在安装最后一道横联的线形与拆除全部扣索后拱圈线形形成的“交点”前，每拆一段扣索，拱脚附近各控制点位移下挠，而拱顶附近各控制点上挠；拆除“交点”后扣索，则各控制点出现相反规律。因此采用交替拆除“交点”前扣索和“交点”后扣索的施工方式，实现扣索拆除过程中拱圈线形的补偿，从而建立扣索拆除新方法。从拱圈拆索过程中的线形变化、索力均匀性和拱圈最大压应力变化情况这3个方面对3种不同扣索拆除方案进行了对比，并以此确定了最佳的扣索拆除方案。最后，通过测量拱圈拆索过程中的实际线形，进一步验证了拆索方案的施工精度。

关键词：拱桥;平南三桥;扣索拆除;线形;拱圈最大压应力;扣索力均匀性;

基金：国家自然科学基金重点项目，项目编号51738004;广西科技重大专项，项目编号桂科AA18118029;广西重点研发计划项目，项目编号桂科AB20297028;

拱桥在我国的应用非常广泛，具有造型美观、施工便捷、经济性好和受力性能良好等优点。在竖向荷载作用下，拱的两端支承处不仅有竖向反力，还有水平推力。水平推力的作用导致拱圈弯矩较小，使得结构以受压为主，因而拱桥多采用石材、混凝土和钢管混凝土等受压性能好的材料，并广泛应用于山川峡谷中。现有的拱桥施工技术主要包括支架法、转体法和缆索吊装斜拉扣挂法等，其中，缆索吊运斜拉扣挂施工技术凭借施工便捷、适应性好和经济性好等优点，在工程中应用最为普遍[1,2]。然而，近些年，随着拱圈跨径越来越大，拱圈吊装节段数和扣索数量越来越多，施工风险也越来越大。就拱桥合龙后的扣索拆除而言，每松一根扣索索力均会导致各个节段的坐标以及其他扣索索力发生变化，因此拱肋合龙后拆除扣索的时间、顺序和方法都将对拱肋的线形、内力产生影响。为确保拱圈结构的施工安全，需选择合理的扣索拆除方法。传统的扣索拆除方法采用逐级松索(每一级松扣索力约为10 kN)、反复循环松索直至各扣索索力为零的拆索方式。由于拱圈斜拉扣挂系统的扣索数量多，每根钢绞线的索力通常达到70～90 kN,因此需进行多次循环拆索，导致拆索工作量非常大。文献[3]基于拆索顺序对拱圈内力和线形的影响规律，提出修正拆扣方案，将部分扣索调整到合龙之前拆除，但该方法在拱圈最大悬臂阶段拆除扣索，施工风险较大。因此，需要研究开发出一种更高效、合理的拆除扣索方法。

本文以平南三桥为工程依托，提出了一种更高效的拱圈扣索拆除的方法。首先，根据安装最后一道横联和拆除最后一道扣索时的线形选出3种拱圈的拆索顺序，然后再对所选的扣索拆除顺序进行线形、强度和索力均匀性的计算对比分析，确定最佳的拆索顺序。计算结果表明，本文提出的逐根拆除扣索方法，扣索拆除过程中各扣索索力变化很小，施工过程中线形变化均匀，整个拆索过程中拱圈压应力很小，与传统的“分级拆除、扣索循环拆除”的方法相比，施工成本更低、施工效率更高。

1 工程概况

1.1设计概况

广西平南县境内的平南三桥为一座中承式钢管混凝土拱桥，主跨跨径为560 m, 矢跨比为0.25,拱轴系数为1.5,北岸采用地下连续墙基础，南岸采用明挖扩大基础，桥型布置如图1所示。该桥结构为变截面无铰拱，2片拱肋中心间距为30.1 m, 拱肋间通过设1道I形横撑和1道△形横撑相连接。桥面系采用钢格子梁的钢—混凝土组合桥面板，钢格子梁均采用“工”形截面。

图1 拱桥总体布置

1.2斜拉扣挂总体布置

采用缆索吊运斜拉扣挂施工技术，重型钢管塔架，每一片拱肋分为22个节段吊装(各控制点为拱圈扣点位置)。主索系统共计2套，主索道缆索起重机额定起重量确定为220 t, 工作索道起重绳按5 t额定吊重进行设计。斜拉扣挂总体布置如图2所示。

图2 斜拉扣挂总体布置

1.3拱圈安装顺序

整个吊装过程中采用对称吊装施工，北半跨吊装的施工顺序如图3所示。

图3 吊装方案(北半跨)

2 斜拉扣挂系统扣索拆除

2.1问题提出

采用01号-02号-03号-04号-05号-06号-07号-08号-09号-10号-11号的扣索拆除顺序，各控制点的线形如图4所示。

由图4(a)所示， 控制点在扣索拆除过程中，8号位移变化小于40 mm, 且相邻拆除扣索过程中位移变化很小，可视为“不动点”;10号控制点和11号控制点位移变化分别约为220 mm和300 mm; 05号控制点和06号控制点位移变化均约为150 mm, 位移波动较大，施工风险大。此外，根据图4(b)可知，有较多的控制点的线形超出了安装横联线形与拆除最后一道扣索的线形(拆除11号扣索线形)所形成的区域，这表明在拆除扣索过程中存在着较大的附加变形，由此将产生附加内力，造成施工过程中的不安全。因此，采用该拆索顺序的施工风险大，需选择合理的拆索顺序。

2.2传统方法

传统的扣索拆除采用“逐级松索，扣索依次循环拆除” 的方式，即从01号扣索～11号扣索依次每根扣索卸载10 kN,经过多次循环拆索直至各扣索索力为零。就跨径为575 m、单片拱肋节段数达22个的平南三桥而言，全桥拱圈扣索数量多达324根，每根分7～9次逐级松索，总计需要2 268～2 916次松索，工作量非常大。

图4 各控制点线形

2.3新方法

由图4(a)可知，在扣索拆除过程中，除08号控制点以外，拆除09号、10号和11号扣索与拆除01号～07号扣索对各控制点位移变化呈现出相反的规律。以11号控制点为例进行说明，在拆除01号～07号扣索过程中，11号控制点位移上挠，拆除09号、10号和11号扣索导致11号控制点位移下降。基于此，可通过交替拆除9号、10号和11号扣索与1号～7号扣索的方式，实现各控制点位移互补，降低拆索施工过程中的风险。

根据09号、10号和11号扣索与01号～07号扣索交替拆除顺序的不同，提出了3种不同的拆索方案(拆索方案一：01号-02号-03号-09号-04号-05号-10号-06号-11号-07号-08号；拆索方案二：01号-02号-09号-03号-04号-10号-05号-06号-11号-07号-08号；拆索方案三：01号-02号-11号-03号-04号-10号-05号-06号-09号-07号-08号),从各控制点线形、各扣索索力以及拱圈最大压应力的变化规律方面进行计算对比分析。

3 计算结果对比分析

3.1拱圈线形

3.1.1与制造线形偏差

各方案的控制点线形偏差计算结果如图5所示，由图5可知，方案一和方案二中，各扣索拆除的线形均落在安装横联与拆除最后一道扣索线形包络区域内，并未产生附加变形，表明施工过程中线形良好；方案三中，在拆除03号扣索、10号扣索和11号扣索过程中10号和11号控制点均超出了安装横联与拆除最后一道扣索线形所包络区域，产生了附加位移，造成施工过程中的风险。

3.1.2各控制点随各扣索拆除的位移变化

各方案的控制点在加索拆除中的位移变化计算结果如图6所示。

由图6可知，在各扣索拆除过程中，方案一与方案二中各控制点总体线形变化差别不大，各控制点最大线形波动均为140 mm, 相邻两扣索拆除过程中的最大线形偏差均为60 mm; 方案三中各控制点的线形波动较大，最大线形波动达200 mm, 相邻两扣索拆除过程中最大线形偏差达60 mm, 产生了一定的附加变形。

3.2各扣索索力对比分析

采用文献[4]中的一次张拉施工优化计算方法计算分析施工过程中各扣索的索力。结果如图7所示。由图7可知，在整个扣索拆除过程中，3种方案中各扣索的索力变化均平缓，没有显著的突变。

3.3拱圈应力对比分析

各方案中的拱圈最大应力计算结果如图8所示。由图8可知，在整个扣索拆除过程中，3种方案的轴向应力和组合应力均在允许范围内，变化规律基本相同，且无显著的突变，这表明整个扣索拆除过程中结构是安全的。此外，在整个扣索拆除过程中，轴向应力和组合应力的偏差控制在15 MPa以内，表明结构是始终以受压为主，弯矩的影响较小。

图5 各控制点与制造线形的偏差

4 与实测线形对比分析

4.1拆索过程中线形对比分析

前述对比分析结果表明，采用方案一和方案二的扣索拆除顺序均是可行的。因此采用了方案一的扣索拆除顺序，即采用“01号-02号-03号-09号-04号-05号-10号-06号-11号-07号-08号”的扣索拆除顺序，并测量了拱圈拆索过程中各控制点线形数据，测量结果如图9所示。

图6 各控制点随各扣索拆除的位移变化

由图9可知，采用逐根拆除扣索的方法，在整个拱圈扣索拆除过程中，各控制点线形偏差始终保持在安装横联与拆除最后一道扣索线形所包络区域之内，整个拆索过程中无附加变形。

图7 拆索过程中各扣索索力变化

4.2合龙松索后线形

进一步对松索后各控制点的线形进行实测，测量结果如图10所示。

由图10(a)和图10(b)可知，拱圈合龙松索后，合龙松索和拱圈各控制点实测值之间的与目标值偏差为52 mm, 远小于《钢管混凝土拱桥结构技术规范》(GB 50923-2013)第11.2.7规定的L/3 000=187 mm, 具有良好的拼装精度。此外，由图10(c)可知，拱圈合龙后，上、下游拱肋最大线形偏差为35 mm, 上游和下游的南北两岸线形偏差最大值分别为5 mm和13 mm, 拱圈线形良好。

图8 拆索过程中拱圈最大应力

图9 拆除扣索过程中各控制点线形

5 结语

以平南三桥为工程背景，针对传统拆索方案的繁琐性，提出了逐根拆除扣索的方法，从斜拉扣挂施工过程中的线形、索力以及拱圈应力等方面，对3种不同拆索方案进行了计算和对比分析，结论如下。

(1)采用方案一和方案二的扣索拆除方案，各控制点线形变化较平滑，无明显突变和附加变形，而采用方案三的扣索拆除方案将导致附加变形，拆索过程中各控制点线形波动较大。

(2)整个扣索拆除过程中，3种拆索方案中各扣索的索力变化均很小且均匀性良好。

(3)随着拱圈扣索的逐步拆除，拱圈最大压应力逐渐减少，且始终以轴压为主要应力，弯矩对结构正应力贡献较小。

(4)拱圈各扣索拆除过程中，各控制点线形偏差始终保持在安装横联与拆除最后一道扣索线形所包络区域之内，整个拆索过程中无附加变形；合龙松索后各控制点线形与目标线形和计算线形均较接近，拱圈拼装过程中的线形精度较好。

图10 合龙松索后各控制点线形

参考文献

[1] 陈宝春，韦建刚，周俊，等.我国钢管混凝土拱桥应用现状与展望[J].土木工程学报，2017,50(6):50-61.

[2] 陈宝春，刘福忠，韦建刚.327 座钢管混凝土拱桥的统计分析[J].中外公路，2011,31(3):96-103.

[3] 李传夫，李术才，于英梅.某钢管混凝土拱桥斜拉扣挂系统拆扣方案研究[J].公路，2009,(9):233-237.

[4] 韩玉，秦大燕，郑健.CFST拱桥斜拉扣挂施工优化计算方法[J].公路，2018,(1):100-104.

[5] GB 50923—2013 钢管混凝土拱桥技术规范[S].