基于吊桿張拉分析的系桿拱橋施工控制研究

李 悝

(1.湖南路橋建設集團公司;2.長沙理工大學)

0 引 言

隨著國民經濟的發展,系桿拱橋在國內得到廣泛的應用。隨著泵送混凝土技術,應力技術以及各種施工工藝的發展,系桿拱橋以其跨越能力大、承載力高、空間用率高、節省材料、造價低和外形流暢美觀等優勢成為現代城市橋梁發展的方向。系桿拱橋中的吊桿一般可做成剛性吊桿或柔性吊桿兩種形式。在系桿拱橋吊桿張拉過程中,吊桿是分批張拉的。期間伴隨著結構的變形、系桿支承體系的轉換及內力的重分布。前期張拉的吊桿力直接影響后期吊桿的張拉力,而后期張拉的吊桿亦對先期施工的吊桿的內力有著直接影響,從而最終影響全部吊桿張拉完畢后的力學性能。因此,對各吊桿進行施工控制是必要的。其目的也即是在各吊桿張拉施工階段,確定該階段吊桿正確的張拉力,以保證在吊桿全部施工完畢后,使各吊桿的預張力達到或接近控制期望值,最終使系桿內力滿足期望的內力狀態。

1 工程簡介

以 L立交橋主橋改建工程為工程研究背景,是地區交通流量的主要疏散通道,也是通往市區和機場的重要道路。既有 L立交橋主橋 4#至 7#為預應力箱梁結構,引橋 0#至 4#、7#至 11#為 T型預應力混凝土梁。全橋長 498m,寬 15.5m。新建L立交橋包括橋梁工程(主橋為鋼結構形式,引橋為預應力混凝土箱梁結構形式),主橋(1#～4#)采用三跨連續坦拱鋼構形式(51+55+51m),拱高度分別為 7m、10.5m、7m。主橋全長為 157m,寬 28.8m;引橋(4#～11#)為預應力鋼筋混凝土箱梁結構,引橋長度為 235.33m,寬度為24m。橋梁總面積為 10540m2。主橋橋面的車道布置為雙向六車道。主橋為單箱多室鋼箱梁。主橋三跨拱的高度分別為 7m、10.5m、7m,矢跨比分別為 1∶7.3、1∶5.2、1∶7.3。拱肋中心線線形全部采用多次拋物線。拱肋截面采用矩形截面形式。吊桿:主橋吊桿采用不銹鋼拉桿,吊桿端均采用叉耳式構造,吊桿中部設長度調節裝置。全橋共 81根吊桿,吊桿間距為 4m。吊桿桿體直徑除道路中心線處采用70mm外,其余均為 50mm,強度等級為 725N/mm2。

2 吊桿張拉方案確定

在拱橋施工過程中,如何對各吊桿進行合理的張拉,直接關系到施工的質量和安全,以及成橋狀態下結構的內力和線形。因此,確定合理的吊桿張拉力成為施工的重要環節。

2.1 有限元模型建立

主橋吊桿采用不銹鋼拉桿,吊桿端均采用叉耳式構造,吊桿中部設長度調節裝置,在拱肋與吊桿的連接部位設置上吊耳,吊桿與主縱梁的連接部位設置下吊耳。

利用橋梁有限元分析軟件Midas/Civil建立了空間有限元分析模型,鋼箱梁和拱肋采用板單元,吊桿采用桁架單元,全橋共有節點 6097個,板單元8573個,其中桁架單元有 81個,板單元有 8492個。橋面鋪裝荷載 1265N/m2,護欄荷載 6250N/m2拱裝飾荷載 850N/m2。

2.2 吊桿張拉方案

本橋為三跨坦拱鋼結構拱橋,九片拱共 81根吊桿,張拉其中某一根吊桿對周圍吊桿的受力、拱肋及主梁的受力和線形均有影響,因此確定合理的吊桿張拉力,對確保施工安全,使結構受力和成橋線形滿足設計要求顯得尤為重要。

根據實際施工過程中的分組對稱張拉以及拱橋結構受力特點,對兩種張拉方案進行比較研究,對各種張拉方案的吊桿張拉過程進行了數值模擬,求出了各施工階段吊桿的受力,控制截面的內力及控制點的位移,對結果進行分析,從而得出合理可行的吊桿張拉方案。

(1)方案一

方案一采用自拱頂向拱底張拉,X拱、Y拱、Z拱同時張拉,先張拉③ ～④跨,再張拉① ～②跨,最后張拉中間跨,最多同時張拉 6根吊桿。經過倒拆得到的最大吊桿力為設計值的 2倍左右,且經過正裝分析檢驗,基本達到閉合,這說明此方法應用于本橋是可行的。由倒裝法得到的吊桿張拉力如圖 1所示。

圖 1 方案一的吊桿初始張拉力

由方案一得到的吊桿初始張拉力最小值為 302kN,最大值為 1123kN,不超過成橋吊桿力最大值的 2倍,由圖 1可看出初始張拉力比較均勻,沒有出現較大的波動。

(2)方案二

方案二采用由拱頂向拱底對稱張拉,X拱、Y拱和Z拱的①～②跨和③～④跨同時對稱張拉,再張拉中間跨,最多時同時張拉 12根吊桿。

由方案二得到的成橋吊桿力最大值為 1127kN,各吊桿的初始張拉力如圖 2所示。

(3)方案三

本方案采用自拱底向拱頂張拉,先張拉③～④跨,再張拉①～②跨,最后張拉中間跨,X拱、Y拱、Z拱同時對稱張拉,最多時同時張拉 6根吊桿。由方案三得到的吊桿張拉力最大值為 1131kN,各吊桿的初始張拉力如圖 3所示。

圖 2 方案二的吊桿初始張拉力

圖 3 方案三得到的吊桿初始張拉力

2.3 張拉方案確定

吊桿張拉應使吊桿最大張拉力盡可能小,一般為設計值的 2～3倍,各跨的吊桿力要盡可能均勻,所需吊桿力的均值盡可能小。為此,對各方案進行了成橋倒拆,確定了每種方案各吊桿的初始張拉力,找出了每一種方案的最大吊桿張拉力,并計算了各拱吊桿張拉力的標準偏差,以觀察吊桿力的均勻性。具體計算結果列于表 1。

表 1 方案一和方案二中最大吊桿力及吊桿力的標準方差比較

標準偏差越大,說明各吊桿力與平均值的離散程度越大、吊桿力越不均勻,由上表可見,方案三中 X拱和 Y拱吊桿力的標準偏差最小,Z拱吊桿力的標準偏差只比方案一略大,但是,方案三的最大吊桿力比方案一大,而且方案三各拱所需的平均吊桿力值也要比方案一大,具體比較見表 2。

經過分析,確定方案一為最優方案。

表 2 方案一和方案三的平均吊桿力值比較

同時,通過對控制截面的應力和位移進行了有限元分析可知:鋼箱梁最大應力發生在拆除橋面支架(即體系轉換)時,為 11.9MPa;拱肋應力隨施工進程變化,施工到某跨時,該跨拱肋控制截面的應力就會增大,X拱頂面最大應力發生第二施工階段、在 3～4跨拱頂附近,為 47.1MPa;Y拱最大應力也是發生在第二施工階段、3～4跨的拱頂附近,大小為89.2MPa;主梁撓度和拱肋位移的變化趨勢類似應力變化情況,吊桿張拉會引起主梁反向撓度,但數值不大,最大僅為7.2mm,Y拱水平位移最大發生在第三施工階段、3～4跨的拱頂附近,為4.7mm,而 Y拱和Z拱的豎向位移最大都發生在第三施工階段、3～4跨的拱頂附近,其值分別為-23.3mm和-16.3mm,各控制截面的應力及位移均在規定的限值內,滿足要求。所以按方案一施工時要特別注意拆除支架時鋼箱梁上控制截面的應力和位移測試,拱肋各控制截面在第二施工階段的應力測試和第三施工階段的位移測試。

3 結 語

同時張拉兩個邊跨與先后張拉兩個邊跨的吊桿,在吊桿力均勻性上后者優于前者,特別表現在對中間跨吊桿的張拉上;按拱分先后張拉與按跨分先后張拉相比,在吊桿力的均勻性方面,前者不如后者;為了減少吊桿張拉對已張拉吊桿的影響,采用間隔張拉法不但不能起到預定的效果,所需的最大吊桿力反而增加不少,且各拱吊桿力的均勻性很差;將X拱和Z拱同時張拉所得吊桿力與按跨先后張拉結果很接近,后者節省資源;增加同時張拉吊桿數可以節省工時,但吊桿力的均勻性較差。

綜合比較,方案一無論是在吊桿張拉力均勻性方面,還是在各桿所需的張拉力上要優于其他方案,所以確定方案一為最優方案。

[1]日本道路協會.張貴生譯.預應力混凝土公路橋施工手冊[M].北京:人民交通出版社,1988.

[2]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]中華人民共和國交通部(JTGD60-2004).公路橋涵設計通用規范[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]中華人民共和國交通部(JTGD62-2004).公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[M].北京:人民交通出版社,2004.