V型剛構連續梁組合拱橋吊桿張拉過程仿真分析研究

李子奇，樊燕燕，白家風

（1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070；2.蘭州交大工程咨詢有限責任公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

V型剛構連續梁組合拱橋具有造型活潑、美觀、富有動感的特點,橋梁景觀效果較好,結構兼具有梁橋和拱橋的特點。梁拱組合結構有效的提高了橋梁的跨越能力，已成為目前比較流行的一種橋型[1]。V型剛構連續梁組合拱橋結構的拱結構一般采用鋼管混凝土系桿拱，主要由鋼管混凝土主拱肋、預應力混凝土連續梁和吊桿三部分組成，主梁彈性支撐于吊桿上，并通過吊桿傳遞給主拱肋，主拱肋主要承壓，產生向外的水平推力，此推力可與預應力混凝土主梁內預應力來達到平衡，形成自平衡體系[2]。拱肋、主梁和吊桿之間相互制約、依存關系，各部件在施工過程中相互影響，因此，在設計和施工中須綜合各因素，使拱橋受力達到最佳。在橋梁施工過程中，系桿的張拉過程和張拉力控制直接影響吊桿的成橋索力合理性。

吊桿在使用荷載作用下是一根軸心受拉構件，可用預應力高強鋼絲束或鋼絞線作為吊桿，這種吊桿不能受壓只承受拉力，一般稱之為柔性吊桿。吊桿張拉施工程序是較為麻煩的，其施工控制也是比較困難的，因為柔性吊桿的預應力施工對于由拱肋、系桿及吊桿組裝而成的組合結構的內力及變形有著很大的影響。吊桿力張拉如果采取分批多級的方法，即隨著結構荷載的不斷增加，多次分階段張拉吊桿鋼束，最后達到設計張拉力，同時不同的張拉次序也對結構產生顯著的影響[3]。這樣勢必加大施工難度及周期，給內力及變形控制帶來一定難度，而且由于吊桿鋼束反復多次張拉，對最終吊桿力大小控制有更高的要求[4]。如果采用分批一級張拉到設計力的方法，可以大大的縮短張拉周期，而且也減少吊桿力的控制工作，可以提高最終成橋索力控制的精度，但是分批一級張拉拱肋和主梁的變形和應力變化要大于分批多級張拉。因此，在實際工程中應根據現場的條件、張拉設備及施工工期等因素，綜合考慮吊桿的張拉施工。

本文通過對年楚河特大橋主橋上部結構采用60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構吊桿張拉過程進行仿真模擬分析，確定了綜合考慮現場的條件、張拉設備及施工工期等因素下的該橋的實際張拉施工過程。

1 工程概況

年楚河特大橋主橋上部結構采用60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構，拱肋采用1.8次拋物線，計算跨度134 m，矢高39.3 m，矢跨比1/3.4，拱肋橫向間距7.6 m，拱肋采用變高度啞鈴型截面。兩榀拱肋間共設7道橫撐，拱頂處一道橫撐為l字形，其余六道為K字形，橫撐均為空鋼管組成的桁架結構。

全橋共設13對吊桿，吊桿采用雙吊桿形式，中心間距均為8m，每處吊桿均由雙根73絲φ7mm的平行鋼絲束組成，吊桿之間縱向間距60 cm。為防止人為破壞，在距梁頂3m范圍內，于吊桿PE護套外，加設0.8 mm厚的平銹鋼管予以防護。吊桿的張拉端位于拱肋上端。

V墩外側斜腿與豎直面夾角為54°，內側斜腿與豎直面夾角為42.8°，截面采用矩形實心截面，橫橋向寬9.7 m，厚度各為2 m，斜腿根部與梁底面設圓弧倒角平順相接。V構底部至梁頂高11 m，V墩底部設支座。

主梁采用C55混凝土，單箱單室直腹板截面，主跨跨中80 m及邊跨端部24.85 m范圍內梁高為3 m，V墩兩斜腿支撐處梁高為4.6 m，梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂面寬10.7 m，底面寬6.8 m，箱梁頂板厚40～60 cm，腹板厚50～120 cm；主梁在V構內部梁高按圓弧變化，最小梁高為3.2 m。

主橋部分橋面板寬10.7m，兩側人行道寬各為1.05 m。欄桿柱尺寸為25 cm×15 cm，待主梁施工、安裝就位后，現場澆注每隔4 m設2 cm斷縫以油毛氈填塞。與簡支梁人行道銜接處于梁端橫向設置2m人行道欄[5]。年楚河特大橋立面見圖1。

圖1 年楚河特大橋立面圖（單位：m）

2 計算模型

采用MIDASCivil 2012軟件對年楚河特大橋主橋吊桿張拉過程進行模擬計算[4-5]，吊索的張拉順序是通過軟件里的激活、鈍化功能實現的。主梁、拱離散為梁單元，吊桿離散為只受拉桿單元，主梁的支架采用只受壓的桿單元模擬；V構和主梁采用剛性連接。年楚河特大橋主橋有限元模型見圖2。

3 吊桿張拉順序及仿真計算工況

3.1 吊桿張拉順序

楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構橋采用先梁后拱的施工方法，在主梁和拱肋施工完成，拱肋混凝土達到設計強度后對吊桿進行張拉。吊桿編號從小里程向大里程依次編號1#～13#，跨中吊桿編號為7#吊桿，吊桿張拉順序和張拉力值見表1和圖3。

圖2 年楚河特大橋主橋有限元模型

表1 年楚河特大橋吊桿張拉順序和張拉力值

圖3 年楚河特大橋吊桿張拉順序和張拉力值

3.2 仿真計算工況

根據年楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構橋的設計吊桿張拉順序，本次按2個工況進行仿真模擬計算分析。

工況1：按照設計的張拉順序采用一級張拉到設計力值；

工況2：按章設計的張拉順序采用二級張拉，第一級張拉設計力值的30%，第二級再張拉到設計力值。

4 計算結果及分析

數值模擬計算分析的結果見表2、表3。

從表2、表3可知：

（1）在兩種張拉工況下，采用一級張拉的施工過程要比分兩級張拉梁體最大的變形大0.8 mm，但兩種工況下拱肋變形基本沒有變化。

（2）在兩種張拉工況下，采用一級張拉的施工過程要比分兩級張拉梁體最大的應力大0.6 MPa，但兩種工況下拱肋應力基本沒有變化。

表2 吊桿張拉主梁未拆架前截面變形

表3 吊桿張拉主梁未拆架前截面應力

5 結論

由上述的數值模擬計算分析結果來看，年楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構加拱組合結構橋吊桿在兩種張拉施工工況預應力混凝土主梁和鋼管混凝土拱肋的變形和應力都偏差較小，主要是由于該橋的吊桿張拉力設計值較小，最大的張力設計力值7#吊桿為750 kN。同時預應力混凝土主梁和鋼管混凝土拱肋剛度較大，張拉某一吊桿時對鄰近的吊桿力的影響較小，可以忽略不計。因此，該橋兩種張拉工況都能滿足結構的受力要求。但綜合考慮該橋的實際情況和工期的要求，采用一級張拉到設計值的張拉方法進行施工。

[1]劉兆豐.V型剛構組合拱橋的梁格分析[J].科學技術與工程,2012，12（31）：8465-8468.

[2]尹明.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿施工張拉力計算 [J].公路工程，2010，35（2）：101-103.

[3]虞建成，葉政權.泰州大橋系桿拱預應力剛性吊桿一次張拉模型試驗研究[J].公路交通科技，2000，17（6）：41-44.

[4]楚海建，何結兵，顧愛軍，等.系桿拱橋吊桿一次張拉方案的優化設計[J].華東公路，2002，134（1）：46-48.

[5]肖艷斌.V型剛構連續梁組合拱橋施工過程結構受力分析[J].城市道橋與防洪，2013（10）：69-71.