基于吊杆张拉分析的系杆拱桥施工控制研究

李 悝

(1.湖南路桥建设集团公司;2.长沙理工大学)

0 引 言

随着国民经济的发展,系杆拱桥在国内得到广泛的应用。随着泵送混凝土技术,应力技术以及各种施工工艺的发展,系杆拱桥以其跨越能力大、承载力高、空间用率高、节省材料、造价低和外形流畅美观等优势成为现代城市桥梁发展的方向。系杆拱桥中的吊杆一般可做成刚性吊杆或柔性吊杆两种形式。在系杆拱桥吊杆张拉过程中,吊杆是分批张拉的。期间伴随着结构的变形、系杆支承体系的转换及内力的重分布。前期张拉的吊杆力直接影响后期吊杆的张拉力,而后期张拉的吊杆亦对先期施工的吊杆的内力有着直接影响,从而最终影响全部吊杆张拉完毕后的力学性能。因此,对各吊杆进行施工控制是必要的。其目的也即是在各吊杆张拉施工阶段,确定该阶段吊杆正确的张拉力,以保证在吊杆全部施工完毕后,使各吊杆的预张力达到或接近控制期望值,最终使系杆内力满足期望的内力状态。

1 工程简介

以 L立交桥主桥改建工程为工程研究背景,是地区交通流量的主要疏散通道,也是通往市区和机场的重要道路。既有 L立交桥主桥 4#至 7#为预应力箱梁结构,引桥 0#至 4#、7#至 11#为 T型预应力混凝土梁。全桥长 498m,宽 15.5m。新建L立交桥包括桥梁工程(主桥为钢结构形式,引桥为预应力混凝土箱梁结构形式),主桥(1#～4#)采用三跨连续坦拱钢构形式(51+55+51m),拱高度分别为 7m、10.5m、7m。主桥全长为 157m,宽 28.8m;引桥(4#～11#)为预应力钢筋混凝土箱梁结构,引桥长度为 235.33m,宽度为24m。桥梁总面积为 10540m2。主桥桥面的车道布置为双向六车道。主桥为单箱多室钢箱梁。主桥三跨拱的高度分别为 7m、10.5m、7m,矢跨比分别为 1∶7.3、1∶5.2、1∶7.3。拱肋中心线线形全部采用多次抛物线。拱肋截面采用矩形截面形式。吊杆:主桥吊杆采用不锈钢拉杆,吊杆端均采用叉耳式构造,吊杆中部设长度调节装置。全桥共 81根吊杆,吊杆间距为 4m。吊杆杆体直径除道路中心线处采用70mm外,其余均为 50mm,强度等级为 725N/mm2。

2 吊杆张拉方案确定

在拱桥施工过程中,如何对各吊杆进行合理的张拉,直接关系到施工的质量和安全,以及成桥状态下结构的内力和线形。因此,确定合理的吊杆张拉力成为施工的重要环节。

2.1 有限元模型建立

主桥吊杆采用不锈钢拉杆,吊杆端均采用叉耳式构造,吊杆中部设长度调节装置,在拱肋与吊杆的连接部位设置上吊耳,吊杆与主纵梁的连接部位设置下吊耳。

利用桥梁有限元分析软件Midas/Civil建立了空间有限元分析模型,钢箱梁和拱肋采用板单元,吊杆采用桁架单元,全桥共有节点 6097个,板单元8573个,其中桁架单元有 81个,板单元有 8492个。桥面铺装荷载 1265N/m2,护栏荷载 6250N/m2拱装饰荷载 850N/m2。

2.2 吊杆张拉方案

本桥为三跨坦拱钢结构拱桥,九片拱共 81根吊杆,张拉其中某一根吊杆对周围吊杆的受力、拱肋及主梁的受力和线形均有影响,因此确定合理的吊杆张拉力,对确保施工安全,使结构受力和成桥线形满足设计要求显得尤为重要。

根据实际施工过程中的分组对称张拉以及拱桥结构受力特点,对两种张拉方案进行比较研究,对各种张拉方案的吊杆张拉过程进行了数值模拟,求出了各施工阶段吊杆的受力,控制截面的内力及控制点的位移,对结果进行分析,从而得出合理可行的吊杆张拉方案。

(1)方案一

方案一采用自拱顶向拱底张拉,X拱、Y拱、Z拱同时张拉,先张拉③ ～④跨,再张拉① ～②跨,最后张拉中间跨,最多同时张拉 6根吊杆。经过倒拆得到的最大吊杆力为设计值的 2倍左右,且经过正装分析检验,基本达到闭合,这说明此方法应用于本桥是可行的。由倒装法得到的吊杆张拉力如图 1所示。

图 1 方案一的吊杆初始张拉力

由方案一得到的吊杆初始张拉力最小值为 302kN,最大值为 1123kN,不超过成桥吊杆力最大值的 2倍,由图 1可看出初始张拉力比较均匀,没有出现较大的波动。

(2)方案二

方案二采用由拱顶向拱底对称张拉,X拱、Y拱和Z拱的①～②跨和③～④跨同时对称张拉,再张拉中间跨,最多时同时张拉 12根吊杆。

由方案二得到的成桥吊杆力最大值为 1127kN,各吊杆的初始张拉力如图 2所示。

(3)方案三

本方案采用自拱底向拱顶张拉,先张拉③～④跨,再张拉①～②跨,最后张拉中间跨,X拱、Y拱、Z拱同时对称张拉,最多时同时张拉 6根吊杆。由方案三得到的吊杆张拉力最大值为 1131kN,各吊杆的初始张拉力如图 3所示。

图 2 方案二的吊杆初始张拉力

图 3 方案三得到的吊杆初始张拉力

2.3 张拉方案确定

吊杆张拉应使吊杆最大张拉力尽可能小,一般为设计值的 2～3倍,各跨的吊杆力要尽可能均匀,所需吊杆力的均值尽可能小。为此,对各方案进行了成桥倒拆,确定了每种方案各吊杆的初始张拉力,找出了每一种方案的最大吊杆张拉力,并计算了各拱吊杆张拉力的标准偏差,以观察吊杆力的均匀性。具体计算结果列于表 1。

表 1 方案一和方案二中最大吊杆力及吊杆力的标准方差比较

标准偏差越大,说明各吊杆力与平均值的离散程度越大、吊杆力越不均匀,由上表可见,方案三中 X拱和 Y拱吊杆力的标准偏差最小,Z拱吊杆力的标准偏差只比方案一略大,但是,方案三的最大吊杆力比方案一大,而且方案三各拱所需的平均吊杆力值也要比方案一大,具体比较见表 2。

经过分析,确定方案一为最优方案。

表 2 方案一和方案三的平均吊杆力值比较

同时,通过对控制截面的应力和位移进行了有限元分析可知:钢箱梁最大应力发生在拆除桥面支架(即体系转换)时,为 11.9MPa;拱肋应力随施工进程变化,施工到某跨时,该跨拱肋控制截面的应力就会增大,X拱顶面最大应力发生第二施工阶段、在 3～4跨拱顶附近,为 47.1MPa;Y拱最大应力也是发生在第二施工阶段、3～4跨的拱顶附近,大小为89.2MPa;主梁挠度和拱肋位移的变化趋势类似应力变化情况,吊杆张拉会引起主梁反向挠度,但数值不大,最大仅为7.2mm,Y拱水平位移最大发生在第三施工阶段、3～4跨的拱顶附近,为4.7mm,而 Y拱和Z拱的竖向位移最大都发生在第三施工阶段、3～4跨的拱顶附近,其值分别为-23.3mm和-16.3mm,各控制截面的应力及位移均在规定的限值内,满足要求。所以按方案一施工时要特别注意拆除支架时钢箱梁上控制截面的应力和位移测试,拱肋各控制截面在第二施工阶段的应力测试和第三施工阶段的位移测试。

3 结 语

同时张拉两个边跨与先后张拉两个边跨的吊杆,在吊杆力均匀性上后者优于前者,特别表现在对中间跨吊杆的张拉上;按拱分先后张拉与按跨分先后张拉相比,在吊杆力的均匀性方面,前者不如后者;为了减少吊杆张拉对已张拉吊杆的影响,采用间隔张拉法不但不能起到预定的效果,所需的最大吊杆力反而增加不少,且各拱吊杆力的均匀性很差;将X拱和Z拱同时张拉所得吊杆力与按跨先后张拉结果很接近,后者节省资源;增加同时张拉吊杆数可以节省工时,但吊杆力的均匀性较差。

综合比较,方案一无论是在吊杆张拉力均匀性方面,还是在各杆所需的张拉力上要优于其他方案,所以确定方案一为最优方案。

[1]日本道路协会.张贵生译.预应力混凝土公路桥施工手册[M].北京:人民交通出版社,1988.

[2]葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]中华人民共和国交通部(JTGD60-2004).公路桥涵设计通用规范[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]中华人民共和国交通部(JTGD62-2004).公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[M].北京:人民交通出版社,2004.