黄河特大桥拱肋吊装扣点结构设计研讨

　　摘 要：黄河特大桥主桥为1×380m提篮型上承式钢管混凝土拱，钢管拱总重量9082t，单元拱节最重412t，采用缆索吊吊装、扣塔扣挂的方法施工。本文介绍了拱肋扣点的设计思路及结构形式。
　　关键词：扣点 结构设计 扣耳 锚梁
　　1、工程概况
　　准朔铁路起点为山西省朔州市店坪站，终点为内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗红进塔站，全长206.231Km。黄河特大桥是准朔铁路跨黄河的一座特大桥，位于黄河中游龙口峡谷段，全桥位于4.8‰及6‰的下坡道上，除东侧引桥位于R=600m的曲线段外，其余均位于直线地段。桥全长655.60m，主体结构按照铁路双线桥设计。
　　黄河特大桥主体结构采用提篮式钢管混凝土拱桥，由两根主拱肋与横向联结系组成，内倾角采用8°。拱肋计算跨度为360m，矢跨比1/6，每根拱肋由4肢φ1500mm壁厚30~50mm钢管组成。钢管拱全长由32段基本段与1段合拢段组成，采用缆索吊装、斜拉扣挂方法施工，根据钢管重量结合缆索起重机设计吊装能力，前6段采用单肢吊装，其余采用整体吊装的施工方法。

节段号	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8
重量（T）	412	251	313	257	328	240	263	244
节段号	S9	S10	S11	S12	S13	S14	S15	S16
重量（T）	246	217	221	218	222	207	207	214

　　2、设计方案
　　拱肋扣点作为扣索与拱肋连接的节点，其重要性不言而喻。由于拱肋节段重量各不相同，大小、角度各异，作为索力传导的关键部位，扣点的设计有一定的难度。扣点结构设计的合理性还直接关系到拱肋的吊装重量、操作的便利性。通过研究选定了两种扣点形式。
　　2.1 钢锚梁型扣点
　　扣索拱肋端采用钢锚梁。通过在上弦钢管之下设置钢锚梁，连接吊装的主拱肋与扣索。钢锚梁通过拱肋的节点板支承拱肋，并以螺栓与拱肋节点板的缀板临时连接。
　　优点：
　　(1)扣索力由锚梁传于拱肋上，对拱肋的直接影响小;
　　(2)减少传统的扣点由于焊缝过多给主结构带来的不利影响。
　　缺点：
　　(1)自重很大，浪费材料;
　　(2)由于扣索要穿过上弦拱管，经过横向连接系，有可能会产生干扰，需加设临时横撑，扣点的位置也需要事先精确定位。
　　2.2 扣耳型扣点
　　采用在钢管拱上直接焊接扣耳板，通过锚箱、锚具与扣索连接。
　　优点：
　　(1)拱肋、扣点受力明确;
　　(2)结构轻巧、简单，便于施工。
　　缺点：
　　(1)角度越平缓就需要很长的焊缝，损伤母材;
　　(2)由于黄河桥顶升混凝土时不拆除扣索，所以造成扣点拆除困难，可能会伤及拱管内混凝土。
　　3、扣点设计与结构分析
　　计算分析采用通用有限元程序ANSYS，基于混合单元方法同时建立施工过程拱肋及扣塔系统的梁单元模型和扣挂系统区域板单元计算模型。根据设计图纸和施工方案，选取具有代表性的施工阶段和关键位置进行分析。具体选择选取1/4跨处和跨中两个扣挂系统的节段进行局部受力性能的分析。
　　3.1 工况分析
　　计算时，将系统(包括塔架、扣索等)受到的纵横向风力荷载与扣塔自重、扣索力等荷载进行组合，分别对组合后的各工况进行计算。施工过程中，拱肋的自重为所有荷载的主要部分，另外考虑当地的风速及风向的不同，分取三个计算工况：
　　工况一：全桥自重×1.3+扣索力;
　　工况二：全桥自重×1.3+扣索力+横桥向极限风荷载(34m/s);
　　工况三：全桥自重×1.3+扣索力+顺桥桥向极限风荷载(34m/s);
　　考虑到施工过程中其它未知因素，计算时拱肋自重取实际重量的1.3倍;另外，所加风荷载按当地极限风速34m/s考虑，即验算最不利的条件下，结构的安全性能。
　　3.2 结构受力计算
　　对扣点结构及扣点附近的拱肋本身进行承载力极限状态与正常使用极限状态分析。
　　3.2.1 扣耳型
　　对于1/4节段，扣耳同钢锚箱通过钢销相连，拱肋的重量及外荷载通过扣耳经钢销、钢锚箱和拉索并最终传递到扣塔上面，扣耳应力分布图如图5所示。
　　根据我国《铁路桥梁钢结构设计规范》，Q345D钢材的容许应力为200Mpa。
　　在工况下，扣耳处整体应力基本控制在30MPa以内，在扣耳孔处存在应力集中，达到95.3Mpa;扣耳板同上拱肋相接处存在应力集中，达173Mpa。
　　上拱肋的整体应力基本控制在30MPa以内，同扣耳板相接处存在应力集中，达170Mpa;下拱肋的应力分布较为均匀，基本控制在30MPa以内，在端部同梁单元耦合处存在应力集中，达到117Mpa。
　　十字撑和加劲环处的应力基本控制在50Mpa以内，在扣耳处均存在应力集中，其中，加劲环局部应力达到170Mpa，十字撑则达99.8Mpa。
　　平连板以及平连板纵肋，缀条的应力分布较为均匀，均控制在70Mpa以内;上下拱肋之间的工字钢应力控制在30Mpa以内;节点板的应力分布较为均匀，大部分控制在20Mpa以内，同拱肋相接处存在应力集中，达到47.3Mpa。上述构件虽有应力集中，但最大应力均远小于200Mpa，构件安全。
　　另外，上横撑、下横撑、上斜前撑、上斜后撑、斜撑和中竖撑应力均很小且均匀，在相接处稍有应力集中，但基本控制在20Mpa以内，可见，该类支撑在拱肋施工阶段主要起稳定作用。
　　从上图可以看出，锚箱的应力总体在50Mpa以内，但在下挡板处，应力达到195Mpa。
　　拉带的应力不大，且分布较为均匀，在耳口处存在应力集中，达到81.2Mpa;连接板在同下挡板连接的区域存在着较高的应力集中，达到185Mpa。另外，上挡板的应力仅为4.26Mpa，说明其在施工过程中仅对钢锚箱起整体稳定的作用。
　　3.2.2 挑梁型
　　其中，钢挑梁下翼板大部分应力控制在100Mpa以内，但在翼板两端拉索锚固区域存在着较大的应力集中，高达195Mpa;挑梁横向加劲板大部分区域应力控制在50Mpa以内，两端拉索锚固区域亦存在着较大的应力集中，高达195Mpa;挑梁纵向加劲板应力大部分控制在50Mpa以内，两端拉索锚固区域亦存在较大的应力集中，达到190Mpa;连接钢挑梁和上拱肋的肋板同上拱肋相交的部分存在着应力集中，高达240Mpa，所以在连接肋板部位加入了翼缘板，最终局部应力达到180 Mpa，满足要求。
　　其它构件之间在相接处亦存在应力集中，但集中程度不严重，且最大应力都控制在100Mpa以内，构件安全。
　　4、结语
　　拱肋越靠近跨中，角度越平缓，如采用扣耳型扣点的话，其与拱肋的焊缝主要承受与焊缝方向平行的剪应力，这样就需要设计很长的角焊缝，不利于发挥结构的优势，易带来安全隐患，还会伤及拱肋母材，所以采用锚梁型扣点。
　　而靠近拱脚处拱肋，扣索施力方向与扣点焊缝方向几近垂直，设置扣耳型扣点的话，就可以发挥结构轻便、受力明确的优点。
　　准朔黄河特大桥在靠近拱肋处节段采用扣耳型扣点，靠近跨中处节段采用锚梁型扣点，充分发挥了各自结构的优势，节约成本，施工操作性强，值得同类型结构设计的借鉴。

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文章名称： 黄河特大桥拱肋吊装扣点结构设计研讨

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