鋼箱系桿拱橋吊桿張拉順序對結構受力的影響

2023-12-12 10:35:42宗紀兵

黑龍江交通科技 2023年11期

宗紀兵,王云

(1.中建八局投資發展公司,浙江寧波 315400;2.山東魯政工程項目管理咨詢有限公司,山東濟南 261000)

0 引言

目前,城市跨河修建的大跨徑鋼箱系桿拱橋普遍采用支架吊裝施工,其特點是需經過漫長工期及復雜的結構體系轉換過程才能成橋投入運營[1]。鑒于吊桿索施工過程中存在多種張拉順序,不同張拉順序結構成橋狀態下的線形和內力會有所差異[2]。為了施工過程中能夠有效控制橋梁結構線形和內力,有必要進行不同吊桿張拉順序下的結構受力分析,以優化施工工序,確保大橋吊桿張拉過程中的結構安全[3]。以往國內外學者對大跨系桿拱橋的成橋線形和內力進行分析時關注點多集中在材料容重、材料彈性模量、吊桿索張拉力等參數,而較少關注吊桿張拉順序對結構受力的影響[4]。通過對吊桿張拉順序的調整,可有效改善施工過程中系梁和拱肋的受力情況,使其在成橋階段達到合理受力狀態[5]。以鋼箱系桿拱橋為研究對象,分析其在不同吊桿張拉順序下的結構受力行為,據此選擇合適的吊桿張拉順序,為此類橋梁建設提供參考。

1 橋梁概況

新建湄池大橋主橋上部采用下承式鋼箱拱肋系桿拱橋,為剛性拱和剛性系梁,單跨簡支體系如圖1所示。拱軸線采用二次拋物線。主橋主要的結構部位包括:主拱肋、風撐、吊桿及鋼格構梁等。拱肋系統包括拱肋、風撐構件,拱肋截面為矩形等截面,寬2.0 m,高2.56 m,腹板及頂底板厚度為24～36 mm,風撐截面尺寸均為1.5 m×1.969 m,板厚16 mm。主拱跨徑184 m,內傾10°,拱圈平面內矢高為37.368 m,豎向投影高度為36.8 m,兩側拱肋間設5道矩形風撐連接,風撐縱向間距為27～31 m。拱橋吊桿間距為8.0 m,拱肋處設置吊桿張拉端。主梁系統由系梁(兩個邊箱梁)、小縱梁、中橫梁、端橫梁組成雙主梁梁格體系。系梁為箱型梁,兩個系梁橫向凈距為21.719 m、中心間距24.283 m,中間設3道工字型小縱梁;主橋順橋向每隔4.0 m設置一道工字型橫梁,梁端設箱型端橫梁。混凝土預制橋面板標號為C40,現澆部分采用C50微膨脹混凝土,橋面板與中橫梁、端橫梁及小縱梁間通過剪力釘連接。吊桿采用填充型環氧涂層鋼絞線,順橋向間距8.0 m,每個吊點為單吊桿,全橋共44根吊桿。系桿索采用填充型環氧涂層鋼絞線,每側主縱梁內有6根系桿,間距50 cm,并在拱梁結合段設置錨固構造。

圖1 主橋立面圖(單位:cm)

主要施工工序如下:(1)樁基、承臺、墩柱施工;(2)搭設系梁臨時支架,吊裝系梁;(3)搭設拱肋臨時支架,吊裝拱肋;(4)拆除拱肋臨時支架;(5)系桿第一次張拉;(6)吊桿第一次張拉;(7)拆除系梁臨時支架;(8)安裝預制橋面板;(9)系桿二次張拉;(10)吊桿二次張拉;(11)澆筑橋面板濕接縫;(12)橋面系施工。

2 有限元模型建立

主橋有限元計算模型的拱肋、系梁、小縱梁、端橫梁、中橫梁、預制橋面板采用梁單元模擬,吊桿索采用僅受拉桁架單元模擬,系桿索采用體外預應力荷載模擬,主墩活動支座采用一般支承模擬,系梁臨時支架和拱肋臨時支架采用豎向只受壓節點彈性支承模擬(剛度取無窮大),拱、梁固結采用彈性連接里的剛性連接模擬,吊桿張拉端錨點與拱肋連接采用彈性連接里的剛性連接模擬,吊桿錨固端錨點與系梁連接采用彈性連接里的剛性連接模擬,預制橋面板與系梁和橫梁、小縱梁的連接采用彈性連接里的剛性連接模擬。計算模型嚴格按照設計提供的施工步驟圖進行施工階段劃分,精細模擬結構從節段吊裝到橋面鋪裝整個施工過程的結構體系轉換過程。施工階段考慮結構自重、吊桿索力、系桿索力、混凝土收縮徐變和橋面鋪裝等荷載。為簡化計算,只對上部結構建模,不考慮溫度荷載、基礎不均勻沉降的影響,橋面板普通鋼筋不參與結構受力。依據圖紙施工梁段的劃分,將全橋離散為857個梁單元、44個桁架單元、764個節點,有限元計算模型如圖2所示。

圖2 主橋midas Civil有限元計算模型

3 吊桿索不同張拉順序下的分析結果

為更好地了解吊桿張拉順序對結構成橋線形和內力的影響,假設吊桿由跨中向兩端張拉、由兩端向跨中張拉、由兩端和跨中向1/4跨張拉,分3種工況分別進行模擬計算,得到3組不同吊桿張拉順序下拱肋、系梁、小縱梁預拱度及成橋索力和成橋內力,對比分析結構變形及內力隨吊桿張拉順序改變的變化規律。

3.1 吊桿索不同張拉順序對結構預拱度的影響

(1)吊桿索不同張拉順序對拱肋預拱度的影響。

吊桿索不同張拉順序下拱肋預拱度計算結果見圖3,符號規定:“+”表示上拱,“-”表示下撓,圖4、圖5同理。

圖3 吊桿索不同張拉順序下拱肋預拱度值對比圖

圖4 吊桿索不同張拉順序下系梁預拱度值對比圖

圖5 吊桿索不同張拉順序下小縱梁預拱度值對比圖

通過圖3數據可知:當吊桿由跨中向兩端張拉時,拱肋1/4跨位置預拱度最大,最大值為121 mm;當吊桿由兩端向跨中張拉時,拱肋1/4跨位置預拱度最大,最大值為125 mm;當吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉時,拱肋1/4跨位置預拱度最大,最大值為123 mm。計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉下的拱肋預拱度相比于另外兩種吊桿張拉順序更小。

(2)吊桿索不同張拉順序對系梁預拱度的影響。

吊桿索不同張拉順序下系梁預拱度計算結果見圖4。

通過圖4數據可知:當吊桿由跨中向兩端張拉時,系梁跨中位置預拱度為103 mm;當吊桿由兩端向跨中張拉時,系梁跨中位置預拱度為118 mm;當吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉時,系梁跨中位置預拱度為105 mm。計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉下的系梁預拱度相比于另外兩種吊桿張拉順序更小。

(3)吊桿索不同張拉順序對小縱梁預拱度的影響。

吊桿索不同張拉順序下小縱梁預拱度計算結果見圖5。

通過圖5數據可知:當吊桿由跨中向兩端張拉時,小縱梁跨中位置預拱度為120 mm;當吊桿由兩端向跨中張拉時,小縱梁跨中位置預拱度為135 mm;當吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉時,小縱梁跨中位置預拱度為123 mm。計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉下的小縱梁預拱度相比于另外兩種吊桿張拉順序更小。

3.2 吊桿索不同張拉順序對結構內力的影響

(1)吊桿索不同張拉順序對拱肋內力的影響。

吊桿索不同張拉順序下拱肋內力計算結果見表1,符號規定:“+”表示拉應力,“-”表示壓應力,表2、表3同理。

表1 吊桿索不同張拉順序下拱肋應力值對比表

表2 吊桿索不同張拉順序下系梁應力值對比表

表3 吊桿索不同張拉順序下小縱梁應力值對比表

計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉下的拱肋內力相比于另外兩種吊桿張拉順序更小。

(2)吊桿索不同張拉順序對系梁內力的影響。

吊桿索不同張拉順序下系梁內力計算結果見表2。

計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉下的系梁內力相比于另外兩種吊桿張拉順序更小。

(3)吊桿索不同張拉順序對小縱梁內力的影響。

吊桿索不同張拉順序下小縱梁內力計算結果見表3。

計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉下的小縱梁內力相比于另外兩種吊桿張拉順序更小。

3.3 吊桿索不同張拉順序對成橋索力的影響

吊桿索不同張拉順序下成橋索力計算結果見表4,由于結構受力對稱性,僅列出1/4吊桿成橋索力數據。

表4 吊桿索不同張拉順序下成橋索力對比表

由表4可知,吊桿由跨中向兩端張拉時,梁端吊桿索的成橋索力值為938.1 kN,跨中吊桿索的成橋索力值為1 313.6 kN;吊桿由兩端向跨中張拉時,梁端吊桿索的成橋索力值為908.6 kN,跨中成橋吊桿索的索力值為1 325.8 kN;吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉時,梁端吊桿索的成橋索力值為860.6 kN,跨中吊桿索的成橋索力值為1 406.5 kN。計算結果表明,吊桿由跨中向兩端張拉下的成橋索力相比于另外兩種吊桿張拉順序更均勻合理,可認為吊桿由跨中向兩端張拉為最優張拉方案。