下承式系桿拱橋施工關(guān)鍵參數(shù)影響分析

摘要：文章以某下承式鋼箱系桿拱橋為背景工程，建立全橋整體有限元模型，對系桿張力、結(jié)構(gòu)自重、吊桿索力三個關(guān)鍵施工參數(shù)進行參數(shù)影響分析，得到了成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋變形等受不同參數(shù)的影響程度，為背景工程實橋施工控制提供了重要依據(jù)，也為類似工程施工控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：下承式；系桿拱橋；施工控制；關(guān)鍵參數(shù)；影響分析

中圖分類號：U448.22+5

0 引言

下承式系桿拱橋作為一種梁拱組合創(chuàng)新型橋梁，其內(nèi)部為多吊桿的超靜定結(jié)構(gòu)體系，外部整體呈簡支靜定結(jié)構(gòu)體系，跨越能力比梁橋大，外觀造型比梁橋美，且工程造價相對經(jīng)濟，一直受到橋梁工程師的青睞［1-2］。

然而，這類拱橋一般施工參數(shù)敏感性較強，其施工狀態(tài)與成橋狀態(tài)往往受施工控制影響較大，因此需要前期對其進行施工參數(shù)影響分析，摸清各施工參數(shù)對系桿拱橋受力與變形的影響程度，從而制定出更合理的施工控制方案，并在施工中對大橋?qū)嵤┍O(jiān)控，對施工偏差進行預(yù)測、調(diào)整，保證實際成橋狀態(tài)與設(shè)計成橋狀態(tài)偏差達到最小。可見，前期對下承式系桿進行施工參數(shù)影響分析，對后期施工控制方案的合理編制及實橋施工控制均具有非常重要的指導(dǎo)意義。為此，國內(nèi)外學(xué)者及工程師們都做了不少研究 ［3-6］。

本文在借鑒以往研究的基礎(chǔ)上，以某下承式鋼箱系桿拱橋為背景工程，選取系桿張力、結(jié)構(gòu)自重、吊桿索力3個關(guān)鍵施工參數(shù)，通過結(jié)構(gòu)計算與分析，研究其成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋變形等受系桿張力、結(jié)構(gòu)自重及吊桿索力的影響大小，為背景工程施工控制提供重要的技術(shù)與理論支撐，也為類似工程實橋施工控制提供參考。

1 工程背景簡介及原始模型的建立

1.1 工程背景簡介

背景工程為某3×40 m+148 m+3×40 m跨河三級通航橋梁，由于橋梁兩側(cè)道路離河面較低，為在滿足通航凈空要求前提下減少橋梁規(guī)模以降低投資，同時滿足一定景觀要求，主橋最終選擇橋梁建筑高度小、跨越能力大且造型優(yōu)美的下承式系桿拱橋。

主橋跨徑為148 m，矢跨比為1/4.5，拱軸線采用懸鏈線，全橋單側(cè)共設(shè)置15對吊索，由拱腳至跨中依次編號為S1-S8，橋型立面如圖1所示。

主橋上構(gòu)除吊桿采用1 860 MPa高強鋼絲外，其他均采用Q355鋼材，下構(gòu)采用墻式墩接群樁基礎(chǔ)。

1.2 原始有限元模型的建立

為分析系桿張力、結(jié)構(gòu)自重及吊桿索力對成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋變形等影響大小，采用Midas Civil軟件建立主橋模型，如圖2所示。

由于主橋整體為簡支體系，因此只建立全橋上構(gòu)模型，吊索為桁架單元，其他構(gòu)件為梁單元。全橋節(jié)點共計420個，單元402個。

2 系桿張力對下承式系桿拱橋的影響分析

系桿，作為系桿拱橋特有的構(gòu)件，主要用來平衡拱橋所產(chǎn)生的巨大水平力，一般在施工階段進行張拉，張力大小由計算確定，在施工中進行控制。然而由于模型計算及系桿張力偏差的存在，對結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)會造成一定的影響。因此，為分析系桿張力對下承式系桿拱橋受力與變形的影響大小，下文以系桿張力變化±10%、±5%，分析其對成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋變形等的影響情況。

2.1 系桿張力對成橋索力的影響分析

主橋系桿張力變化±10%、±5%對成橋索力的影響分析結(jié)果如表1所示。

由表1分析可知，吊桿成橋索力隨系桿張力增大幾乎無變化。可見，系桿張力對吊桿成橋索力影響甚微。

2.2 系桿張力對主拱肋應(yīng)力的影響分析

主橋系桿張力變化±10%、±5%對主拱肋應(yīng)力的影響分析結(jié)果如表2所示。

由表2分析可知，主拱肋應(yīng)力隨系桿張力增大而增大，幾乎呈線性變化，且對拱腳上下緣應(yīng)力影響相對大于其他部位，但整體影響值相對不大。可見，系桿張力對拱肋應(yīng)力影響相對較小。

2.3 系桿張力對主拱肋位移的影響分析

主橋系桿張力變化±10%、±5%對主拱肋位移的影響分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3分析可知，主拱肋位移隨系桿張力增大而增大（拱腳小范圍內(nèi)位移呈反向變化），且對跨中影響最大，最大位移影響值為5.3 mm，整體影響非常有限。可見，系桿張力對拱肋位移影響相對較小。

綜合前文分析，系桿張力對下承式系桿拱橋成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋位移影響均相對較小。但是，系桿張力主要用于平衡整座橋梁上構(gòu)所產(chǎn)生的水平力，因此系桿張力變化所產(chǎn)生的不平衡水平力通過支座傳遞至橋墩，即最終需要由橋墩進行承受。所以，實橋施工控制中仍需要重點控制其對系桿拱橋整體水平力的影響。

3 結(jié)構(gòu)自重對下承式系桿拱橋影響分析

下承式系桿拱橋由于存在材料設(shè)備、施工機械等臨時荷載或施工誤差，往往會導(dǎo)致全橋總重量大于或小于成橋結(jié)構(gòu)自重，直接影響成橋受力狀態(tài)。

因此，為分析結(jié)構(gòu)自重對下承式系桿拱橋受力與變形的影響大小，下文以結(jié)構(gòu)自重變化±10%、±5%，分析其對成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋變形等的影響情況。

3.1 結(jié)構(gòu)自重對成橋索力的影響分析

主橋結(jié)構(gòu)自重變化±10%、±5%對成橋索力的影響分析結(jié)果如表3所示。

由表3分析可知，吊桿成橋索力與結(jié)構(gòu)自重呈正比例關(guān)系，且索力隨結(jié)構(gòu)自重變化值相對較大。

可見，結(jié)構(gòu)自重是影響成橋索力的主要因素，實橋施工控制中應(yīng)加強對施工臨時荷載的控制。

3.2 結(jié)構(gòu)自重對主拱肋應(yīng)力的影響分析

主橋結(jié)構(gòu)自重變化±10%、±5%對主拱肋應(yīng)力的影響分析結(jié)果如表4所示。

由表4分析可知，主拱肋應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)自重增大而增大，呈線性變化，且對拱腳下緣及拱頂上緣應(yīng)力影響相對大于其他部位，但整體變化率均相對較小。可見，結(jié)構(gòu)自重對拱肋應(yīng)力影響相對不大。

3.3 結(jié)構(gòu)自重對主拱肋位移的影響分析

主橋結(jié)構(gòu)自重變化±10%、±5%對主拱肋位移的影響分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4分析可知，主拱肋位移隨結(jié)構(gòu)自重增大而增大，且對跨中影響最大，最大位移影響值為9.1 mm，但整體上影響相對不大。可見，結(jié)構(gòu)自重變化對拱肋位移相對較小。

綜合前文分析可知：結(jié)構(gòu)自重對下承式系桿拱橋成橋索力影響較大，對拱肋應(yīng)力與位移影響相對較小，實橋施工控制中應(yīng)加強對施工臨時荷載的控制，重點控制其對吊桿索力的影響。

4 吊桿索力對下承式系桿拱橋的影響分析

吊桿是連接拱肋與主梁的核心構(gòu)件，區(qū)別于有推力的一般拱橋，下承式系桿拱橋施工工序一般為“先梁后索”，即先支架施工主梁、拱肋，再張拉吊桿完成體系轉(zhuǎn)換。

可見，吊桿索力控制為下承式系桿拱橋施工控制最為核心的施工工藝，其成橋索力偏差則直接影響橋梁整體成橋狀態(tài)。

因此，為分析吊桿索力對拱肋應(yīng)力與變形的影響情況，下文分別以成橋吊桿索力（取設(shè)計成橋索力）變化±10%、±5%對其進行參數(shù)影響分析。

4.1 吊桿索力對主拱肋應(yīng)力的影響分析

主橋吊桿成橋索力變化±10%、±5%對主拱肋應(yīng)力的影響分析結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知，主拱肋應(yīng)力隨吊桿索力增大而增大，基本呈線性變化，且變化率非常大，對拱腳應(yīng)力影響最大，拱頂次之，拱肋1/4截面相對較小。可見，吊桿索力對拱肋應(yīng)力影響非常大。

4.2 吊桿索力對主拱肋位移的影響分析

吊桿索力變化±10%、±5%對主拱肋位移的影響分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可知，主拱肋位移與吊桿索力基本成比例變化（拱腳至1/4截面左右成反比例變化，1/4截面左右至跨中成正比例變化），最大位移影響值達59.3 mm。可見，吊桿索力變化對拱肋位移影響非常大。

綜合前文分析可知，吊桿索力對拱肋應(yīng)力及位移影響均非常大，建議實橋施工控制中應(yīng)嚴格控制各吊桿初始張拉力，及時糾偏，保證成橋狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)偏差最小。

5 結(jié)語

本文以背景工程為研究對象，分析了系桿張力、結(jié)構(gòu)自重、吊桿索力對成橋索力、拱肋應(yīng)力、拱肋位移的影響情況，得出主要結(jié)論如下：

（1）施工參數(shù)對下承式系桿拱橋影響程度由大到小依次為吊桿索力gt;結(jié)構(gòu)自重gt;系桿張力。

（2）系桿張力變化對成橋索力、拱肋應(yīng)力與變形影響均相對較小，實橋施工控制中應(yīng)重點控制其對系桿拱橋整體水平力的影響。

（3）結(jié)構(gòu)自重變化對下承式系桿拱橋成橋索力影響較大，對拱肋應(yīng)力與位移影響相對較小，實橋施工控制中應(yīng)加強對施工臨時荷載的控制，重點控制其對吊桿索力的影響。

（4）吊桿索力對成橋索力、拱肋應(yīng)力與變形影響均非常大，實橋施工控制中應(yīng)嚴格控制各吊桿初始張拉力，及時糾偏，保證成橋狀態(tài)誤差最小。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-10

作者簡介：鄧 華（1973—），工程師，主要從事公路交通工程施工管理工作。