CN117113743A - 大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，属于桥梁施工技术领域，方法包括如下：设计大桥主拱肋架的线型，根据大桥主拱肋架的线型设计缆索吊机系统，根据拱肋架的线型进行制造线形测点实测数据，叠加有限元软件分析得到的测点的绝对位移，结合主拱温度和拱肋线形变化规律，推导出架设坐标，实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标，对缆索吊机系统进行参数设计，然后试吊运行，分析计算出缆索吊承重索线形、垂度、张力，然后根据使用缆索吊机系统对大桥主拱肋架吊装施工。实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标。

Description

大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法

技术领域

本发明涉及桥梁施工技术领域，尤其涉及大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法。

背景技术

随着我国各项基础设施的全面推进，跨越河谷、山谷、海面等各种复杂地理条件的拱桥项目陆续上马，拱桥需要的跨径也不断增大，传统的支架法施工早已无法满足要求，缆索吊装法正日益成为大跨径拱桥的主流施工方法。针对大跨度钢管混凝土拱桥吊装节段数量多、吊重大、吊距远等特点。在常规钢管拱项目中，焊接具有非常灵活的调整余量，节段的制造误差可以在吊装过程中采取增垫垫片、索力调差等方式，修正制造误差使成拱线形达到的控制目标。在栓接结构中，螺栓空隙余量仅有3mm，对拱肋节段制造误差与安装要求极高。因此在对大桥的线形设计和承重的吊装均起到非常大得作用，因此，需要设计大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，解决现有大桥主拱肋架施工过程中精度无法到达要求的技术问题。需要设计一种主拱肋架设线型，实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设计大桥主拱肋架的线型，根据大桥主拱肋架的线型设计缆索吊机系统；

步骤2：根据拱肋架的线型进行制造线形测点实测数据，叠加有限元软件分析得到的测点的绝对位移，结合主拱温度和拱肋线形变化规律，推导出架设坐标，实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标；

步骤3：对缆索吊机系统进行参数设计，然后试吊运行；

步骤4：分析计算出缆索吊承重索线形、垂度、张力，然后根据使用缆索吊机系统对大桥主拱肋架吊装施工。

进一步地，步骤1中，全栓接拱桥的线形控制是在立拼阶段控制整体线形质量，在空中还原立拼相对姿态，第一步要得出理论的制造线形，制造线形是设计线形的基础上得到预拱度，大桥主拱肋架模型包括拱肋杆件、立柱、交界墩和钢梁，拱肋杆件、立柱、交界墩和钢梁均与梁单元建立；

缆索吊机系统的塔架采用缆扣分离结构，缆扣分离结构的扣挂和缆索系统独立运行，互不干扰，扣索力及拼装线形更容易控制，并且利用缆塔后移，为缆索系统在引桥桥面起吊钢梁提供空间，实现主桥上部结构上桥和组拼；

缆索吊机系统的锚碇采用重力式锚碇结构，通过自重与基底产生的摩擦力提供水平抗力；

缆索吊机系统的吊重采用独立吊装结构，独立吊装结构减少主拱圈吊装过程中横移的时间，减少拱圈大悬臂的状态的时间，能够降低安全风险，而且通过减少横移，能够较好避免Z字形吊装拱肋。

进一步地，步骤2的具体过程为：

第一先进行确定立拼实际姿态，立拼的实际姿态通过拱脚、拱顶端的测点反映，确定步骤为：先设置，再采集，最后是标记，并以测点作为吊装姿态理论三维变形的载体，将全拱的无应力线形按照预拼装方式划分成4轮，并旋转至水平位置，便于立拼放样和制造，在每轮次姿态调整到位后，以每轮次弦管下缘坡口为起点，水平为X轴，竖向为Z轴，并采用工具找到上弦管上缘近似轴线，在上距离端口1m位置，要避开节段安排平台横梁，设置测点标记，最后再采集测点的实测坐标，左幅测点在立拼阶段的局部坐标，弦管的中轴线与理论的距中值6.75m有偏差，将每轮次测点实际坐标反映到局部坐标系中，将左幅内弦拱顶测点标记到第四轮立拼图，将相应轮次立拼的局部坐标系转换到拱肋无应力线形以封铰面中心的局部坐标系中，作为理论位移的载体；

第二对拼装姿态的理论进行位移，钢管拱在拼装过程中，设定为一座曲梁斜拉桥，采用Midas/Civil有限元计算软件建立有限元模型，模拟拱桥拼装施工各阶段，计算的控制目标是拱肋卸扣后的线形与一次落架线形的偏差小于1cm，施工过程中交界墩及扣塔偏位小于2cm，同时索力均匀，经过若干次迭代得到满足要求的拼装施工阶段的索的初拉力，初拉力反映出索的无应力长度，代入初拉力至正装模型中，并选择体外力，进行施工阶段分析，得到过程中结构的荷载效应，用于判断结构的安全性，包括拱、索、塔、锚的反力、应力、变形、位移，同时得到切线拼装的关键参数，索的张力值、构件的总位移，竖向总位移为396mm，向下位移，水平向总位移为137mm，向拱座方向，轴线偏差68mm，向外侧偏转；

第三架设坐标，首节段架设坐标，由拱顶、拱脚两端测点共同控制，后续节段架设遵循结果最优，过程可控的原则，控制拱顶端线形，仅由拱顶端测点坐标控制。

进一步地，步骤3的具体过程为：

两岸缆塔塔架分别布置在引桥墩盖梁顶部，两岸锚碇均采用重力式锚碇，设计为外八布置的分离式锚碇，余庆岸引桥位于平面曲线段，在桥台左侧设置整体式锚碇，结合主桥构件吊装规划，缆索吊机系统设计为两组主吊，两组工作吊，主吊仅在立柱、钢梁上岸时横移，索鞍固定在主桥拱肋轴线位置，结合对比分析，根据主跨及引桥长度确定跨径组合，根据构件重量选定额定吊重，根据构件的起吊点及安装位置确定吊机工作区，其余参数通过计算结果选定，设计缆索吊机的参数；

缆索吊系统承重分析时，对缆索子系统、塔架子系统和锚碇子系统的分别进行承载力验算，将整个缆索吊机系统的验算划分成13种计算工况，工作状态考虑了主吊、工作吊的吊装荷载以及6级风荷载的组合，非工作状态则考虑10级风荷载的作用；

对主索受力计算分析，当垂跨比不大于1/10时，计算误差能控制在5％以内，可满足工程上精度的需要，拟定主索最大垂度f_max＝L/12.5，额定吊重考虑1.1倍的动载系数，按静力分析计算额定吊重下主索张力的水平分力：

式中：q为作用在主索上的均布荷载，L为主索跨度，β为主索弦倾角，两岸缆塔等高时取0，Q为作用在主索上的集中荷载，代入相关参数计算出水平分力，主索最大张力V为塔顶竖向分力，主索采用12A60mm钢丝绳，计算出总破断力[T]，主索在最大集中荷载下的拉力安全系数K＝[T]/T_max，满足规范要求；

对塔架进行受力分析计算，采用Midas civil有限元分析软件建模计算缆塔的承载力及变形，在模型中采用梁单元模拟墩柱、塔架立柱及其连接杆，采用只受拉桁架单元模拟后缆风及通风缆，风缆锚端及墩底采用全固结边界；

通过建模计算，得到立柱钢管最不利为工况的最大组合应力，得到塔架偏位最不利为工况的顺桥向最大偏，向边跨偏，符合相关规范建议值，同时得到缆塔整体稳定性计算最不利为工况的屈曲模态，满足要求；

为验证缆索吊机系统的设计承载力及工作性能，按照逐级加载的原则先后进行了空载试验、动载以及最大静载试验。试吊过程，未发生锚碇位移、钢丝绳断裂现象。

进一步地，先进行基本假定，吊杆垂直于顺桥向，主缆水平力在全跨相同，假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状，承重缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置为已知量；

然后初步找形，初步找形的具体过程为创建模型，定义承重索、缆塔、主梁、吊杆等构件的材料和截面特性，主缆根据实际容重、直径、模量建模，主梁和吊杆将容重设置为最小，便于模型收敛，进入悬索桥建模助手，根据实际情况输入后锚、缆塔顶、跨中的位置，生成初始平衡状态模型；

再利用空索初始平衡状态，迭代出空索线形，实现精确找形，最后在施工阶段的PostCS阶段，进行非施工阶段荷载加载，可在任意位置加载吊重，实现快速、精确地求出全长的线形、垂度、张力；

精确找形的步骤:

(1)在初步找形成功的初始平衡状态模型上删除几何非线形分析控制对话框；

(2)固结缆塔顶，删除吊杆、主梁，修改成承重索状态；

(3)在结构组中全选所有节点，作为更新组，选取缆塔顶、跨中的节点作为垂点组，垂点组作为精确找形中不变的节点；

(4)全选所有结构，作为整体结构组；全选所有边界，作为整体边界组；全选所有荷载，作为整体边界组，进行施工阶段分析，目的是进行非线形分析，找出在自重作用下，满足垂度要求的线形。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明制造线形测点实测数据的基础上，叠加有限元软件分析得到的测点的绝对位移，结合主拱温度和拱肋线形变化规律，推导出架设坐标，实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标，开发出悬索桥建模助手，利用空索初始平衡状态，迭代出实际状态下的空索线形，实现在任意位置加载吊重，均可以快速、精确地求出线形、垂度、张力，能够确保在安装和吊装过程中的进准度。

附图说明

图1是本发明制造线形与立拼姿态转换图；

图2是本发明第四轮立拼中GL12左幅拱顶测点标记图；

图3是本发明大桥斜拉扣挂模型图；

图4是本发明竖向切线拼装总位移图；

图5是本发明横桥向切线拼装总位移图；

图6是本发明塔架计算模型图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设计大桥主拱肋架的线型，根据大桥主拱肋架的线型设计缆索吊机系统。以乌江特大桥，乌江特大桥是贵州德余高速公路的控制性工程，全长1834m，其中主桥跨径504m，为上承式钢管混凝土拱，从柱脚到拱顶共划分为15个节段，拱肋节段编号为GL1～GL15，全桥共计60个节段，节段最大吊重为157吨。拱肋弦管直径1.4m，管内灌注C70自密实微膨胀混凝土，拱肋间设置K撑、X撑连接，全拱由9.3万颗螺栓连接。

全栓接拱桥的线形控制的思路是在立拼阶段控制整体线形质量，在空中还原立拼相对姿态，第一步要得出理论的制造线形。

制造线形是设计线形的基础上，考虑预拱度得到的。

乌江特大桥模型如图4所示，模型中拱肋各杆件、立柱、交界墩、钢梁均以梁单元建立，计算模型中共2255个节点，3996个单元，主拱肋预拱度设置根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/T D65-06-2015)第6.2.3条规定，计算预拱度值应为恒载累计变形、钢管混凝土徐变挠度和1/2活载挠度之和；预拱度计入非线性后，根据规范要求，提取有限元变形计算结果，拱顶预拱度值＝(65.1cm+11.5cm+5.9/2cm)×1.25＝99.4cm，截面位置制造线形详见表1。

表1制造线形坐标

乌江特大桥为主跨475m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥，采用缆索吊装+斜拉扣挂的施工工艺，最大构件吊装重量为155t。本文结合该大桥地质条件复杂、吊重大、跨度长的特点，从扣塔和缆塔的组合方式、锚碇的结构形式、吊机载荷等方面进行了比选，进而确定缆索吊机设计参数，考虑了13种荷载工况组合对缆索吊机各子系统进行承载力验算，采用近似解析法进行主索计算，同时通过有限元分析软件建模计算缆塔的承载力及变形，并与荷载实测值进行对比分析。荷载试验表明，本大桥缆索吊机系统的各项检测指标均满足规范要求，达到设计使用条件，可为类似缆索吊机设计与计算提供参考。

按照目前主桥构件吊装规划，主拱圈共计60个节段，最大净吊重155t，采用两套缆索吊主系统分别对应吊装上下游侧拱肋节段，单肢拱肋分别安装，左、右幅同一节段拱肋吊装就位后，安装节段间连接风撑、横撑，完成一个双肋节段单元。立柱及钢梁先由水上运输至桥位跨中位置下方，再采用缆索吊穿越拱顶风撑位置吊装上岸，再由液压模块车进行转运存放。为满足提升空间要求，拱肋合龙后暂不安装拱顶位置风撑，待钢管混凝土灌注完毕且拱上立柱及钢梁全部吊装上岸后，再进行拱顶风撑安装，其中立柱最大重量46.1t，钢梁的重量(含柱顶部分)54.9t。立柱暂时存放于德江侧引桥、钢梁暂时存放于余庆侧引桥，待拼装成整体再用缆索吊抬吊安装。所有钢梁节段均在余庆岸引桥上组拼成吊装块段，然后由液压模块车运至塔前桥面起吊，采用两组缆索吊抬吊吊装，如采用先安装跨中，初始安装梁段为2C+2A3+纵横梁共计219.43t，抬吊最大吊重拟定为220t，如采用由交接墩向跨中安装，则最大为160t，因此设计时取前面工况进行验算。

缆索吊机系统的塔架采用缆扣分离结构，缆扣分离结构的扣挂和缆索系统独立运行，互不干扰，扣索力及拼装线形更容易控制，并且利用缆塔后移，为缆索系统在引桥桥面起吊钢梁提供空间，实现主桥上部结构上桥和组拼；

缆索吊机系统的锚碇采用重力式锚碇结构，通过自重与基底产生的摩擦力提供水平抗力；

缆索吊机系统的吊重采用独立吊装结构，独立吊装结构减少主拱圈吊装过程中横移的时间，减少拱圈大悬臂的状态的时间，能够降低安全风险，而且通过减少横移，能够较好避免Z字形吊装拱肋。

步骤2：根据拱肋架的线型进行制造线形测点实测数据，叠加有限元软件分析得到的测点的绝对位移，结合主拱温度和拱肋线形变化规律，推导出架设坐标，实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标。

立拼的实际姿态通过拱脚、拱顶端的测点反映，确定步骤：先设置、再采集、最后是标记，并以测点作为吊装姿态理论三维变形的载体，如图1所示，将全拱的无应力线形按照3+1、4+1预拼装方式划分成4轮，并旋转至水平位置，便于立拼放样、制造。在每轮次姿态调整到位后，以每轮次弦管下缘坡口为起点，水平为X轴，竖向为Z轴，并采用特定工具找到上弦管上缘近似轴线，在其上距离端口大致1m位置，要避开节段安排平台横梁，设置测点标记，最后再采集测点的实测坐标，如表2所示，GL12左幅测点在立拼阶段的局部坐标，此时内弦的距中值不一定是6.75m，主要原因是测点不一定在中轴线上，另外由于制造误差，弦管的中轴线与理论的距中值6.75m有偏差，将每轮次测点实际坐标反映到局部坐标系中，如图2所示，将GL12左幅内弦拱顶测点标记到第四轮立拼图，将该轮次立拼的局部坐标系转换到拱肋无应力线形以封铰面中心的局部坐标系中，作为理论位移的载体。

钢管拱在拼装过程中，类似于一座曲梁斜拉桥，参考斜拉桥施工控制理念，采用Midas/Civil有限元计算软件建立有限元模型，模拟拱桥拼装施工各阶段，计算的控制目标是拱肋卸扣后的线形与一次落架线形的偏差小于1cm，施工过程中交界墩及扣塔偏位小于2cm，同时索力均匀，经过多次迭代得到满足上述要求的拼装施工阶段的索的初拉力，初拉力反映出索的无应力长度。代入初拉力至正装模型中，并选择体外力，进行施工阶段分析，得到过程中结构的荷载效应，用于判断结构的安全性，包括拱、索、塔、锚的反力、应力、变形、位移，同时得到切线拼装的关键参数，索的张力值、构件的总位移，如图3、4、5所示，竖向总位移为396mm，向下位移；水平向总位移为137mm，向拱座方向；轴线偏差68mm，向外侧偏转。

主要施工流程见表3，由于背索与轴线有偏角，为避免扣塔累计偏转，导致拱肋横偏超限，左右幅拱肋按照之字形推进，在模型中的施工阶段中体现。

表3主要施工阶段

首节段架设坐标，由拱顶、拱脚两端测点共同控制，后续节段架设遵循结果最优，过程可控的原则，控制拱顶端线形，仅由拱顶端测点坐标控制。表4所示的是GL12左幅内弦拱顶测点位移计算步骤，展示了在立拼实际姿态的基础上，叠加理论变形，同时保证相对姿态的计算过程。

表4 GL12左幅内弦测点位移计算步骤

钢材的线膨胀系数为1.2×10^-5，系统温度、梯度温度影响拱、索的伸长量，尤其是随着拱肋的悬臂长度增大，扣背索也跟着增长，温度对拱肋线形影响逐渐显著，导致整个斜拉扣挂体系产生明显的变形、位移。

温度产生的原因是环境因素，包括大气温度、拱肋温度、索的温度、日照角度。利用徕卡TS60测量机器人，全天候自动采集拱肋线形数据，数据中包含了风载对拱肋线形的叠加影响，得到拱肋线形与环境的关系。

步骤3：对缆索吊机系统进行参数设计，然后试吊运行。经过设计方案的比选，乌江特大桥缆索吊机系统采用缆扣分离的塔架布设方案，两岸缆塔塔架分别布置在引桥24#、28#墩盖梁顶部，两岸锚碇均采用重力式锚碇，德江岸受引桥位置影响，设计为外八布置的分离式锚碇，余庆岸引桥位于平面曲线段，在34#桥台左侧设置整体式锚碇，缆索吊机总体布置见图2-3。结合主桥构件吊装规划，缆索吊机系统设计为两组主吊，单组额定吊重160t，两组工作吊，单组额定吊重20t，主吊仅在立柱、钢梁上岸时横移，其他情况索鞍固定在主桥拱肋轴线位置。结合以上对比分析，根据主跨及引桥长度确定跨径组合，根据构件重量选定额定吊重，根据构件的起吊点及安装位置确定吊机工作区，其余参数通过计算结果选定，缆索吊机的具体设计参数见表4。

表4缆索吊机基本技术参数表

缆索吊系统计算时，需要对缆索、塔架、锚碇各个子系统的分别进行承载力验算，结合实际吊装工况，将整个缆索吊机系统的验算划分成13种计算工况，工作状态考虑了主吊、工作吊的各种吊装荷载以及6级风荷载的组合，非工作状态则考虑了10级风荷载的作用，汇总后的计算工况见表5。

表5计算工况汇总表

主索的计算工程上通常采用基于抛物线理论的近似解析法，当垂跨比不大于1/10时，计算误差能控制在5％以内，可满足工程上精度的需要^[3]。本工程拟定主索最大垂度f_max＝L/12.5＝49.92m，额定吊重考虑1.1倍的动载系数，按静力分析计算额定吊重下主索张力的水平分力：

式中：q为作用在主索上的均布荷载，L为主索跨度，β为主索弦倾角，两岸缆塔等高时取0，Q为作用在主索上的集中荷载，代入相关参数计算得H_max＝9585kN，从而，主索最大张力V为塔顶竖向分力，主索采用12A60mm钢丝绳，总破断力[T]＝12×2400＝28800kN，故主索在最大集中荷载下的拉力安全系数K＝[T]/T_max＝3.1≥3，满足规范要求。

采用Midas civil有限元分析软件建模计算缆塔的承载力及变形，在模型中采用梁单元模拟墩柱、塔架立柱及其连接杆，采用只受拉桁架单元模拟后缆风及通风缆，风缆锚端及墩底采用全固结边界，计算模型见图6。

通过建模计算，立柱钢管最不利为工况五，最大组合应力为-169.3MPa，小于钢材强度设计值305MPa。塔架偏位最不利为工况十，顺桥向最大偏位为18cm，向边跨偏，符合相关规范建议值不大于H/400＝18.2cm的要求[1]。缆塔整体稳定性计算最不利为工况八，屈曲模态为21.2，大于4，满足要求。

为验证缆索吊机系统的设计承载力及工作性能，按照逐级加载的原则先后进行了空载试验、动载以及最大静载试验。试吊过程，未发生锚碇位移、钢丝绳断裂现象，各锚固件、连接件稳定牢固，跑车、滑轮运转正常，卷扬机及其控制系统工作正常。根据试吊实测数据，主索垂度与理论计算值高度吻合，缆塔塔柱应力、塔架偏位与理论计算总体趋势基本吻合，但具体数值呈现一定差异，其中塔柱应力实测值整体偏小，造成这种差异的主要原因可能是：

(1)理论计算时，分析工作状态的缆塔模型往不利方向施加了6级风荷载，而实际运行时，缆塔受到的风荷载方向及大小都在一定幅度内变化，并不是固定值；

(2)建模计算时塔架为连续刚性连接结构，实际塔架拼接节段之间采用螺栓连接，前者为线形变形，后者因螺栓紧固程度差异会呈现一定的非线形特征。

模型荷载考虑动力系数有一定放大，且相关荷载一般按偏保守取值，比实际荷载偏大。

步骤4：分析计算出缆索吊承重索线形、垂度、张力，然后根据使用缆索吊机系统对大桥主拱肋架吊装施工。

为验证缆索吊机系统的设计承载力及工作性能，按照逐级加载的原则先后进行了空载试验、动载以及最大静载试验。试吊过程，未发生锚碇位移、钢丝绳断裂现象，各锚固件、连接件稳定牢固，跑车、滑轮运转正常，卷扬机及其控制系统工作正常。根据试吊实测数据，主索垂度与理论计算值高度吻合，见图5，缆塔塔柱应力、塔架偏位与理论计算总体趋势基本吻合，但具体数值呈现一定差异，其中塔柱应力实测值整体偏小，见图6，造成这种差异的主要原因可能是：

(3)理论计算时，分析工作状态的缆塔模型往不利方向施加了6级风荷载，而实际运行时，缆塔受到的风荷载方向及大小都在一定幅度内变化，并不是固定值；

(4)建模计算时塔架为连续刚性连接结构，实际塔架拼接节段之间采用螺栓连接，前者为线形变形，后者因螺栓紧固程度差异会呈现一定的非线形特征。

模型荷载考虑动力系数有一定放大，且相关荷载一般按偏保守取值，比实际荷载偏大。

(1)吊杆垂直于顺桥向。

(2)主缆水平力在全跨相同。

(3)假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状。

(4)承重缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置为已知量。

初步找形的步骤:

(1)创建模型，定义承重索、缆塔、主梁、吊杆等构件的材料和截面特性。主缆根据实际容重、直径、模量建模，主梁和吊杆将容重设置为极小，便于模型收敛。

(2)进入悬索桥建模助手，根据实际情况输入后锚、缆塔顶、跨中的位置。

(3)生成初始平衡状态模型

精确找形的步骤:

(1)在初步找形成功的初始平衡状态模型上删除“几何非线形分析控制”对话框；

(2)固结缆塔顶，删除吊杆、主梁，修改成承重索状态；

(3)在结构组中全选所有节点，作为更新组，选取缆塔顶、跨中的节点作为垂点组，垂点组作为精确找形中不变的节点。

(4)全选所有结构，作为整体结构组；全选所有边界，作为整体边界组；全选所有荷载，作为整体边界组，进行施工阶段分析，目的是进行非线形分析，找出在自重作用下，满足垂度要求的线形。

以单组160吨额定吊重荷载为例，演示有限元法计算过程。空索状态垂度，跨中节点为46，Z坐标为105.65m，缆塔顶节点为31，Z坐标为137.7m，相减得出空索状态下垂度为32.05m。

跨中吊重160吨垂度，跨中节点为46，在空索状态的基础上竖向位移为18.032m，因此跨中吊重160t的垂度为32.05+18.032＝50.082m。

空索状态内力，最大张力位置出现在索鞍处，为23.5t。跨中吊重160吨内力，最大张力位置出现在索鞍处，为81.7t。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设计大桥主拱肋架的线型，根据大桥主拱肋架的线型设计缆索吊机系统；

步骤2：根据拱肋架的线型进行制造线形测点实测数据，叠加有限元软件分析得到的测点的绝对位移，结合主拱温度和拱肋线形变化规律，推导出架设坐标，实现节段内部精确安装与成桥线形精确控制的双重目标；

步骤3：对缆索吊机系统进行参数设计，然后试吊运行；

步骤4：分析计算出缆索吊承重索线形、垂度、张力，然后根据使用缆索吊机系统对大桥主拱肋架吊装施工。

2.根据权利要求1所述的大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，其特征在于：步骤1中，全栓接拱桥的线形控制是在立拼阶段控制整体线形质量，在空中还原立拼相对姿态，第一步要得出理论的制造线形，制造线形是设计线形的基础上得到预拱度，大桥主拱肋架模型包括拱肋杆件、立柱、交界墩和钢梁，拱肋杆件、立柱、交界墩和钢梁均与梁单元建立；

缆索吊机系统的塔架采用缆扣分离结构，缆扣分离结构的扣挂和缆索系统独立运行，互不干扰，扣索力及拼装线形更容易控制，并且利用缆塔后移，为缆索系统在引桥桥面起吊钢梁提供空间，实现主桥上部结构上桥和组拼；

缆索吊机系统的锚碇采用重力式锚碇结构，通过自重与基底产生的摩擦力提供水平抗力；

缆索吊机系统的吊重采用独立吊装结构，独立吊装结构减少主拱圈吊装过程中横移的时间，减少拱圈大悬臂的状态的时间，能够降低安全风险，而且通过减少横移，能够较好避免Z字形吊装拱肋。

3.根据权利要求1所述的大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，其特征在于：步骤2的具体过程为：

第一先进行确定立拼实际姿态，立拼的实际姿态通过拱脚、拱顶端的测点反映，确定步骤为：先设置，再采集，最后是标记，并以测点作为吊装姿态理论三维变形的载体，将全拱的无应力线形按照预拼装方式划分成4轮，并旋转至水平位置，便于立拼放样和制造，在每轮次姿态调整到位后，以每轮次弦管下缘坡口为起点，水平为X轴，竖向为Z轴，并采用工具找到上弦管上缘近似轴线，在上距离端口1m位置，要避开节段安排平台横梁，设置测点标记，最后再采集测点的实测坐标，左幅测点在立拼阶段的局部坐标，弦管的中轴线与理论的距中值6.75m有偏差，将每轮次测点实际坐标反映到局部坐标系中，将左幅内弦拱顶测点标记到第四轮立拼图，将相应轮次立拼的局部坐标系转换到拱肋无应力线形以封铰面中心的局部坐标系中，作为理论位移的载体；

第二对拼装姿态的理论进行位移，钢管拱在拼装过程中，设定为一座曲梁斜拉桥，采用Midas/Civil有限元计算软件建立有限元模型，模拟拱桥拼装施工各阶段，计算的控制目标是拱肋卸扣后的线形与一次落架线形的偏差小于1cm，施工过程中交界墩及扣塔偏位小于2cm，同时索力均匀，经过若干次迭代得到满足要求的拼装施工阶段的索的初拉力，初拉力反映出索的无应力长度，代入初拉力至正装模型中，并选择体外力，进行施工阶段分析，得到过程中结构的荷载效应，用于判断结构的安全性，包括拱、索、塔、锚的反力、应力、变形、位移，同时得到切线拼装的关键参数，索的张力值、构件的总位移，竖向总位移为396mm，向下位移，水平向总位移为137mm，向拱座方向，轴线偏差68mm，向外侧偏转；

第三架设坐标，首节段架设坐标，由拱顶、拱脚两端测点共同控制，后续节段架设遵循结果最优，过程可控的原则，控制拱顶端线形，仅由拱顶端测点坐标控制。

4.根据权利要求1所述的大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，其特征在于：步骤3的具体过程为：

两岸缆塔塔架分别布置在引桥墩盖梁顶部，两岸锚碇均采用重力式锚碇，设计为外八布置的分离式锚碇，余庆岸引桥位于平面曲线段，在桥台左侧设置整体式锚碇，结合主桥构件吊装规划，缆索吊机系统设计为两组主吊，两组工作吊，主吊仅在立柱、钢梁上岸时横移，索鞍固定在主桥拱肋轴线位置，结合对比分析，根据主跨及引桥长度确定跨径组合，根据构件重量选定额定吊重，根据构件的起吊点及安装位置确定吊机工作区，其余参数通过计算结果选定，设计缆索吊机的参数；

缆索吊系统承重分析时，对缆索子系统、塔架子系统和锚碇子系统的分别进行承载力验算，将整个缆索吊机系统的验算划分成13种计算工况，工作状态考虑了主吊、工作吊的吊装荷载以及6级风荷载的组合，非工作状态则考虑10级风荷载的作用；

对主索受力计算分析，当垂跨比不大于1/10时，计算误差能控制在5％以内，可满足工程上精度的需要，拟定主索最大垂度f_max＝L/12.5，额定吊重考虑1.1倍的动载系数，按静力分析计算额定吊重下主索张力的水平分力：

式中：q为作用在主索上的均布荷载，L为主索跨度，β为主索弦倾角，两岸缆塔等高时取0，Q为作用在主索上的集中荷载，代入相关参数计算出水平分力，主索最大张力V为塔顶竖向分力，主索采用12A60mm钢丝绳，计算出总破断力[T]，主索在最大集中荷载下的拉力安全系数K＝[T]/T_max，满足规范要求；

对塔架进行受力分析计算，采用Midas civil有限元分析软件建模计算缆塔的承载力及变形，在模型中采用梁单元模拟墩柱、塔架立柱及其连接杆，采用只受拉桁架单元模拟后缆风及通风缆，风缆锚端及墩底采用全固结边界；

通过建模计算，得到立柱钢管最不利为工况的最大组合应力，得到塔架偏位最不利为工况的顺桥向最大偏，向边跨偏，符合相关规范建议值，同时得到缆塔整体稳定性计算最不利为工况的屈曲模态，满足要求；

为验证缆索吊机系统的设计承载力及工作性能，按照逐级加载的原则先后进行了空载试验、动载以及最大静载试验。试吊过程，未发生锚碇位移、钢丝绳断裂现象。

5.根据权利要求1所述的大桥主拱肋架设线型与缆索吊承重索设计方法，其特征在于：先进行基本假定，吊杆垂直于顺桥向，主缆水平力在全跨相同，假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状，承重缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置为已知量；

然后初步找形，初步找形的具体过程为创建模型，定义承重索、缆塔、主梁、吊杆等构件的材料和截面特性，主缆根据实际容重、直径、模量建模，主梁和吊杆将容重设置为最小，便于模型收敛，进入悬索桥建模助手，根据实际情况输入后锚、缆塔顶、跨中的位置，生成初始平衡状态模型；

再利用空索初始平衡状态，迭代出空索线形，实现精确找形，最后在施工阶段的PostCS阶段，进行非施工阶段荷载加载，可在任意位置加载吊重，实现快速、精确地求出全长的线形、垂度、张力；

精确找形的步骤:

(1)在初步找形成功的初始平衡状态模型上删除几何非线形分析控制对话框；

(2)固结缆塔顶，删除吊杆、主梁，修改成承重索状态；

(3)在结构组中全选所有节点，作为更新组，选取缆塔顶、跨中的节点作为垂点组，垂点组作为精确找形中不变的节点；

(4)全选所有结构，作为整体结构组；全选所有边界，作为整体边界组；全选所有荷载，作为整体边界组，进行施工阶段分析，目的是进行非线形分析，找出在自重作用下，满足垂度要求的线形。