一种高效的拱圈扣索拆除的方法与流程

本发明涉及桥梁建造技术领域，特别是涉及一种高效的拱圈扣索拆除的方法。

背景技术：

拱桥具有造型美观、施工便捷、经济性好、受力性能良好等优点。就受力性能而言，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。

由于水平推力的作用，导致拱圈弯矩较小，结构以受压为主，因而拱桥多采用石材、混凝土、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施工技术等，其中，缆索吊运斜拉扣挂施工技术主要有以下几方面优点：

(1)缆索吊运系统既可以垂直起吊，又可以纵向水平运输，可以从预制场、起吊场地或直接从运输车、船上将构件移运到安装位置，完成安装，覆盖面广，适应性强；

(2)缆索吊运系统既可以吊运拱肋，又可以吊运立柱、横梁、吊杆、桥道梁、桥面板等构件，适用范围广；

(3)缆索吊运系统基本都是采用标准件结构拼装，吊重、跨度、覆盖宽度可以灵活调整，构件可以多次重复利用，经济性好。

此外，结合斜拉扣挂技术可以使得拱圈高精度拼装，具有施工线形好、安全性高等优点。因此，缆索吊装斜拉扣挂施工技术在拱桥施工中应用最为普遍。

然而，大跨径拱桥受吊装重量的限制，拱肋节段和扣索数量较多，各组扣索相互影响，导致施工线形难以控制。整个拱肋节段的悬拼过程中，不仅要通过扣索调整线形，而且要通过它调整结构的内力，所以对扣挂系统的计算分析也已成为拱桥施工控制的重要内容之一。

就拱桥合龙后扣索拆除而言，每松一根扣索索力均会导致各个节段的坐标、其他扣索索力变化。在这个前提下，拱肋合龙后拆除扣索的时间、顺序和方法势必对拱肋的线形、内力产生影响，为确实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通过从拱脚扣索到拱顶扣索，逐级松索(每一级松扣索力为10kn)、反复循环松索的方式直至各扣索索力为零。拱桥施工中一般运用到上百根钢绞线，由于每根钢绞线的索力通常为70kn至90kn，每次松索索力通常为10kn，则总计需要成百上千次松索，导致拆索工作量非常大。

基于此，亟需一种更高效、合理的拆除扣索方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在的传统的扣索拆除方法拆索工作量非常大的问题，提供一种高效的拱圈扣索拆除的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高效的拱圈扣索拆除的方法，

获取拱圈安装最后一道横联后的线形和拱圈拆除全部扣索后的线形；

对比拱圈安装最后一道横联后的线形与拱圈拆除全部扣索后的线形，并找出两线形交点所对应的控制点；

在控制点两侧交替选取拆除扣索的方式，确定若干种扣索拆除顺序；

选取拱圈线形波动范围满足要求的扣索拆除顺序。

本申请中所述的控制点即为扣索与拱圈的连接点；两线形交点所对应的控制点应当理解为拱圈上距离交点最近的控制点；选取的扣索拆除顺序还应满足拱圈材料强度要求。

采用本发明所述的一种高效的拱圈扣索拆除的方法，能够在满足拱圈线形波动范围要求的情况下，在控制点两侧交替的逐根拆除拱桥扣索的方式，取代传统逐级拆除扣索、依次循环拆除扣索的方式，其工作量为传统方法的1/9～1/7，工作量少，大幅度地提高了扣索拆除的施工效率、降低了施工成本。

优选地，通过有限元分析的方式获取拱圈安装最后一道横联后的线形和拱圈拆除全部扣索后的线形。

进一步优选地，有限元分析包括：

建立拱圈的有限元模型；

根据拱圈的实际施工情况，建立结构组、荷载组和边界组，从而确定各施工阶段；

计算各扣索初拉力，开展拱圈各拆索顺序的计算分析。

进一步优选地，根据拱圈结构的几何参数、材料参数、边界条件和荷载工况建立拱圈的有限元模型。

优选地，通过有限元分析的方式选取拱圈线形波动范围和拱圈应力范围均满足要求的扣索拆除顺序。

采用这种方法，通过有限元分析计算验证，可以准确高效的选取拱圈线形波动范围和拱圈应力范围均满足要求的扣索拆除顺序。

优选地，拱圈线形波动范围为裸拱自重下的线形至拱圈一次落架的线形，超出这个范围就会产生附加变形和附加应力。

优选地，在控制点两侧成组交替选取拆除扣索，每组扣索包括若干根。

优选地，在满足拱圈线形波动范围和拱圈应力范围的扣索拆除顺序中选取最优的拆除方案。

采用这种方法，在众多满足条件的扣索拆除顺序中选取最优的拆除方案，能够保证以最高的效率和最低的成本的方式对扣索进行拆除。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种高效的拱圈扣索拆除的方法，能够在满足拱圈线形波动范围要求的情况下，在控制点两侧交替的逐根拆除拱桥扣索的方式，取代传统逐级拆除扣索、依次循环拆除扣索的方式，其工作量为传统方法的1/9～1/7，工作量少，大幅度地提高了扣索拆除的施工效率、降低了施工成本；

2、本发明所述的一种高效的拱圈扣索拆除的方法，通过有限元分析计算验证，可以准确高效的选取拱圈线形波动范围和拱圈应力范围均满足要求的扣索拆除顺序；

3、本发明所述的一种高效的拱圈扣索拆除的方法，在众多满足条件的扣索拆除顺序中选取最优的拆除方案，能够保证以最高的效率和最低的成本的方式对扣索进行拆除。

附图说明

图1是实施例中拱桥斜拉扣挂系统及扣索编号；

图2是拱圈安装最后一道横联后的线形与拱圈拆除全部扣索后的线形的交点示意图；

图3是采用1#-2#-3#-4#-5#-6#-7#-8#-9#-10#-11#的扣索拆除顺序，各控制点与制造线形偏差图；

图4是方案一各控制点与制造线形偏差图；

图5是方案二各控制点与制造线形偏差图；

图6是方案三各控制点与制造线形偏差图；

图7是采用方案一的扣索拆除顺序各控制点与目标线形偏差图；

图8是采用方案二的扣索拆除顺序各控制点与目标线形偏差图；

图9是采用方案三的扣索拆除顺序各控制点与目标线形偏差图；

图10是方案一拆索过程中各扣索索力变化图；

图11是方案二拆索过程中各扣索索力变化图；

图12是方案三拆索过程中各扣索索力变化图；

图13是方案一拆索过程中轴向应力和组合应力图；

图14是方案二拆索过程中轴向应力和组合应力图；

图15是方案三拆索过程中轴向应力和组合应力图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

某中承式钢管混凝土拱桥，主跨560m，矢跨比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，两片拱肋中心间距30.1m，拱肋间通过设一道“i”型横撑和一道“△”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。

采用缆索吊运斜拉扣挂技术施工，塔架采用重型钢管塔架，每一片拱肋分为22个节段吊装(各控制点为拱圈扣点位置)。主索系统共计两套，主索道缆索起重机额定起重量确定为220t，工作索道起重绳按5t额定吊重进行设计。

如果采用传统的“逐级松索，扣索依次循环拆除”的扣索拆除方式，即从1#扣索至11#扣索依次每根扣索卸载10kn，经过多次循环拆索直至各扣索索力为零。就跨径575m、单片拱肋节段数达22个的该桥而言，全桥拱圈扣索数量达324根，每根分7-9次逐级松索，总计需要2268-2916次松索(2268＝7×324，2916＝9×324)，工作量非常大。

如图1-15所示，采用本发明所述的一种高效的拱圈扣索拆除的方法，包括以下步骤：

1、根据拱圈结构的几何参数、材料参数、边界条件和荷载工况通过有限元软件建立上述拱桥拱圈的有限元模型。

2、根据拱桥的实际施工情况，建立结构组、荷载组和边界组，据此确定各施工阶段。

3、根据《cfst拱桥斜拉扣挂施工优化计算方法》(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)：19.)的“过程最优，结果可控”一次张拉施工优化计算方法，计算各扣索初拉力，以此开展拱圈结构计算；

运行有限元软件程序，获取拱圈安装最后一道横联后的线形(即为扣索拆除之前最后一道施工阶段所对应的拱圈线形)和拱圈拆除全部扣索后的线形；

具体地，根据有限元计算结果，计算出各扣索拆除过程中，各控制点的变化情况，如图3所示。

4、对比拱圈安装最后一道横联后的线形与拱圈拆除全部扣索后的线形，并找出两线形交点所对应的控制点；

由图3可知，安装最后一道横联时的拱圈线形与拆索完成后的线形(本申请中可理解为裸拱自重下线形)在8#控制点出现交点；

结合计算分析，在扣索拆除过程中，8#控制点(图3中b208)与制造线形偏差变化很小，表征着扣索拆除过程中在对8#控制点影响很小，除8#控制点以外，拆除9#、10#和11#扣索与拆除1#至7#扣索对各控制点位移变化呈现出相反的规律；

以11#控制点为例进行说明，在拆除1#至7#扣索过程中，11#控制点位移上挠，拆除9#、10#和11#扣索导致11#控制点位移下降；

基于此，可通过9#、10#和11#扣索与1#至7#扣索交替拆除的方法，实现各控制点位移互补，减少拆索施工过程中的风险。

5、以控制点作为参考点，通过在参考点两侧成组交替选取拆除扣索的方式确定扣索拆除顺序，每组扣索包括至少一根扣索，能够确定若干种方案的扣索拆除顺序；

具体地，根据9#、10#和11#扣索与1#至7#扣索交替拆除顺序的不同确定三种不同的拆索顺序：

拆索方案一：1#-2#-3#-9#-4#-5#-10#-6#-11#-7#-8#；

拆索方案二：1#-2#-9#-3#-4#-10#-5#-6#-11#-7#-8#；

拆索方案三：1#-2#-11#-3#-4#-10#-5#-6#-9#-7#-8#。

6、对每种方案的扣索拆除顺序通过有限元分析软件进行计算验证，比较各扣索拆除过程中拱圈线形变化、各扣索索力变化以及拱圈应力变化情况，选出各扣索拆除过程中拱圈线形变化最小、各扣索索力均匀性良好、拱圈应力变化较小的那种拆除方案；

具体地，对三种不同的拆索顺序方案进行比较，从各控制点线形、各扣索索力变化以及拱圈最大压应力的变化规律进行计算对比分析；

由图4-6可知，方案一和方案二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10#和11#控制点在拆除3#扣索、10#扣索和11#扣索过程中均超出了安装横联与拆除最后一道扣索线形所包络区域之外，产生附加位移，造成施工过程中的风险；

由图7-9可知，在各扣索拆除过程中，方案一与方案二扣索拆除方案中各控制点总体线形变化差别不大，整个扣除扣索过程中，各控制点最大线形波动均为140mm，相邻两扣索拆除过程中最大线形偏差均为60mm，方案三中各控制点的线形波动较大，整个扣索拆除过程中，最大线形波动达200mm，相邻两扣索拆除过程中最大线形偏差达60mm，产生了一定的附加变形；

如图10-12所示，本实施例采用文献(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)的一次张拉施工优化计算方法进行施工过程中各扣索索力的计算分析，在整个扣索拆除过程中，三种方案各扣索索力变化均平缓，并未显著的突变；

如图13-15所示，在整个扣索拆除过程中，三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，表征着整个扣索拆除过程中结构安全，此外，在整个扣索拆除过程中，由于轴向应力和组合应力的偏差控制在15mpa以内，表征着结构是始终以受压为主，弯矩的影响较小；

通过三种不同扣索拆除方案的线形对比，采用方案一和方案二扣除拆除方案，各控制点线形变化较平滑，无明显突变，无附加变形，而采用方案三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，整个扣索拆除过程中，最大线形波动达200mm，相邻两扣索拆除过程中最大线形偏差达60mm，产生了一定的附加变形，不及另外两种拆索方案线形好，所以，最终选定方案一或方案二的拆索顺序。

本发明提出了一种更高效的拱圈扣索拆除的方法，首先，通过有限元软件分析计算出拱圈安装最后一道横联后的线形和拱圈拆除全部扣索后的线形，然后根据得到的线形交点找出合理的拆除扣索顺序，然后再对所选的扣索拆除顺序进行线形、强度、索力均匀性对比以确定最优的扣索拆除顺序；该方法为逐根拆除扣索的方法，其工作量为传统方法的1/9～1/7，工作量少、施工效率高；整个扣索拆除过程中，不同拆索方案各扣索索力均变化很小，各扣索索力均匀性良好；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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。