先梁后拱施工的系杆拱桥吊杆张拉方案研究

张同飞

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

昌九城际铁路永修刚架系杆拱桥跨度为(32+128+32)m,拱墩结合、拱梁分离体系,系铁路桥梁首次采用,施工方法为先梁后拱法。该桥共设14对吊杆(上下游同一位置为1对,每个吊点位置有2根吊杆,间距为0.5 m),吊杆纵向间距为8 m,自左到右顺次编号为1～14号,其他参数见文献[1]。其设计主要施工工序为：(1)在支架上分段现浇预应力混凝土连续梁,并张拉主梁预应力；(2)拱架上拼装钢箱拱,卸拱架,张拉部分系杆；(3)从拱脚到拱顶逐对、对称安装并初张拉吊杆,张拉部分系杆；(4)拆除主梁支架,施加二期恒载,张拉部分系杆；(5)从拱顶到拱脚逐对、对称调整吊杆力；(6)张拉剩余系杆。永修刚架系杆拱桥总体布置如图1所示。

图1 永修刚架系杆拱桥总体布置(单位：cm)

1 吊杆张拉方案确定的理论影响因素

1.1 吊杆张拉关键问题

对于先梁后拱施工工艺的该类桥梁,吊杆张拉方案的确定涉及到3个关键问题。

第一,吊杆张拉次数的确定,常用的有一次张拉法、初张拉和调整张拉的两次张拉法以及多次调整张拉法。

第二,吊杆张拉各阶段对应的张拉时机选择,即吊杆的初张拉或调整张拉安排在哪个施工阶段进行。

第三,吊杆张拉各阶段对应的张拉顺序选择,即在吊杆的初张拉或调整张拉时采用何种顺序进行,是否需要对称张拉。

1.2 吊杆张拉次数的选择

常用的吊杆张拉方法有一次张拉法、初张拉和调整张拉的两次张拉法以及多次调整张拉法。采用一次张拉到位,可达到简化张拉工序和工作量的目的,笔者认为它应该是吊杆张拉的首选方法。文献[4]以泰州大桥为例,对刚性吊杆一次张拉技术进行了研究,认为其是可行的,且该技术可以大大方便施工,缩短工期。文献[5]更是通过模型试验证实,对于泰州大桥,吊杆采用一次性张拉到位的方案是可行的,并且是安全可靠的。

相对于一次张拉到位法,二次张拉法可提高张拉精度,有利于误差的调整和减小。对于先梁后拱施工工艺,影响吊杆张拉次数的另一个关键因素是主梁和主拱的受力,当采用一次张拉到位工艺时,有可能张拉过程中的个别吊杆力过大,或导致主梁或主拱部分节段受力不合理,此时,就必须采用二次张拉工艺或多次张拉法。需要指出的是,考虑到施工误差、结构非线性、工艺和设备精度等因素的影响,工程经验表明,系杆拱桥的吊杆张拉调整次数太多,最终的精度不一定好。

1.3 吊杆张拉时机的选择

基于减小施工难度和工作量考虑,背景工程可考虑的吊杆张拉次数有设计的两次张拉和一次张拉(若由于施工误差太大而导致成桥后需要进行的调整张拉,不计入张拉批次范围内)。

对于两次张拉法,两次张拉的目的是不同的[2],初张拉是为了形成“拱肋-吊杆-主梁”的整体受力体系,使吊杆承担部分主梁自重,改善主梁的受力特性,方便主梁支架的拆除；调整张拉为最终张拉,使成桥后的结构内力状态和线形满足设计要求。由于两次张拉的目的不同,设计对张拉提出的要求往往也不同,初张拉时,按设计规定的张拉力张拉即可；而在调整张拉时,为了使吊杆力和线形满足设计要求,往往需要根据实际情况由监控计算确定吊杆的张拉顺序和张拉力。

对于本桥设计采用的两次张拉法,初张拉安排在主拱支架拆除后、主梁支架拆除前进行,在主拱落架后马上形成“拱肋-吊杆-主梁”的整体受力体系,对于结构而言是合理的。调整张拉时机的选择,一般考虑以下因素[3]：一方面,要使吊杆调整张拉后的工序愈少愈好,使施工后最终吊杆力与设计要求值的偏差最小,若吊杆调整张拉工序安排过早,后续工序较多,后续施工的施工误差及收缩徐变等因素影响会引起较大的吊杆力误差；另一方面,要兼顾结构受力和线形方面的要求,即吊杆调整张拉的安排应保证结构安全和线形变化合理。对于某些系杆拱桥,如主梁为纵横梁结构,则主梁整体断面尚未形成,刚度还较小时,吊杆调整张拉时系梁挠度变化稍大些,调索更能满足挠度方面的要求。

本文对一次张拉法也进行了分析,由于本桥采用先梁后拱施工工艺,主梁在支架上施工成型,吊杆未张拉前,主梁支架不可拆除,因此对于一次张拉法,其张拉时机与二次张拉法的初张拉一致,即主拱支架拆除后、主梁支架拆除前。

1.4 张拉顺序的选择

对吊杆力的最终结果而言,与吊杆张拉的次序是无关的[3,6]。即不论先张拉哪根吊杆、后张拉哪根吊杆,待所有吊杆都张拉完毕,将得到同样的结果。

然而,在实施张拉过程中,需选定次序。在验算每张拉一根吊杆时,不但要求结构能安全地承受内力变化,而且要尽量使结构内力和挠度变化幅度最小。这需要精心设计计算。文献[7]中提到,泰州大桥总计有5 040种不同的张拉顺序,其中最大张拉力与设计值之比小于4倍的有720种,大于5倍的有3 600种,大于7倍有720种。可见,不同的张拉顺序,吊杆的最大张拉力存在很大差别。文献[8]千斤顶张拉力的推导过程也证明,吊杆千斤顶张拉力与调整顺序有关。一般地讲,吊杆调整时要均匀对称,选定主拱上挠度最大值处的吊杆作为调整对象,这将会得到最合理的吊杆调整次序。

2 吊杆张拉方案确定的现场影响因素

2.1 吊杆张拉端选择与影响因素

吊杆张拉端即可选择在主梁上,也可选择在主拱上,本桥主拱为钢箱梁,吊杆锚头设置在钢箱梁内,人员和设备都需要从主拱合龙段进人孔进出,施工难度大,施工环境恶劣,安全隐患大,因此,选择在主梁端为张拉段,为方便操作,张拉时机宜选择在主梁跨河支架拆除前进行,如此,张拉作业可方便的在支架平台上实施。

2.2 张拉设备与人员配备因素

由于每个理论吊点处实际有2根吊杆,1对吊杆张拉(上、下游侧构成1对),需要4台千斤顶同时工作。对称张拉包括横向对称及纵向对称共4个位置同步张拉,需要8台千斤顶同时工作。如此类推。

2.3 同步控制问题

在保证设备配置和人员配备到位的情况下,如何在工艺上保证各千斤顶同步,如何将非同步控制在的容许偏差值以内,如何评判已经张拉到位等问题较难解决。

2.4 设备调动问题

施工现场应尽量避免设备的频繁调动。

3 吊杆张拉的几种方案

本桥设计施工图中的吊杆张拉方案如下所述。

(1)张拉时机

采用二次张拉法,即吊杆的张拉分为初张拉和调整张拉(终张拉)两个张拉阶段。初张拉阶段安排在主拱支架拆除后、主梁支架拆除前进行；调整张拉阶段安排在施加二期恒载之后进行。

(2)张拉顺序

在初张拉阶段,要求从拱脚到拱顶逐对对称张拉各吊杆；在调整张拉阶段,要求从拱顶到拱脚逐对对称张拉各吊杆,其中的对称要求包括纵向与横向对称。

为了探索较好的张拉方案,在设计方案外,考虑了另外3种较为合理的吊杆张拉方案。分别描述为方案2、3和4。各方案的特点见表1,表中逐对对称指纵横向均对称,依次对称为横向对称,纵向不对称。

表1 吊杆张拉方案对比

4 吊杆张拉方案可行性分析依据

4.1 吊杆千斤顶张拉力

各张拉方案的关键就是通过成桥吊杆力来推导吊杆张拉阶段的吊杆千斤顶张拉力。

吊杆千斤顶张拉力的计算方法,笔者在参考文献[8]中有详细的推导过程。对于方案2和方案3,初张拉阶段直接采用设计提供的吊杆张拉力即可,调整张拉阶段按照参考文献[8]中影响矩阵法和倒推法相结合的方法,可以方便地计算出其千斤顶张拉力。

方案4张拉吊杆时,主梁支架还未拆除。吊杆张拉之前,主梁支架全部受压,随着吊杆的逐步张拉,主梁会逐步脱离支架,结构体系不断变化,吊杆力影响矩阵亦不断变化。因此,无法采用参考文献[8]中影响矩阵法和倒推法相结合的方法。方案4采用倒拆正装法计算各吊杆的千斤顶张拉力,由于倒拆法无法考虑混凝土的收缩徐变影响,因此会有误差,此项误差通过迭代法,即反复进行倒拆正装来予以减小。

吊杆张拉过程中,需确保吊杆千斤顶张拉力在其容许张拉力范围内。根据相关经验,本桥在施工阶段控制最大吊杆张拉力安全系数取值为1.8。吊杆采用φ7 mm低松弛镀锌钢丝,抗拉标准强度fpk=1 670 MPa。1号、14号吊杆(两侧4根)的面积为18 628 mm2,其施工阶段吊杆力容许值为17 283 kN；2号、13号吊杆(两侧4根)的面积为13 084 mm2,其施工阶段吊杆力容许值为12 139 kN；3号～12号吊杆(两侧4根)的面积为8 468 mm2,其施工阶段吊杆力容许值为7 856 kN。

4.2 结构安全

确保张拉方案在各关键施工阶段及成桥阶段,应力水平满足规范要求。按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005),主梁和主墩的应力允许值见表2。按照《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)规定,主拱Q345钢的容许应力为[σw]=210 MPa。

表2 混凝土材料应力容许值指标 MPa

4.3 成桥状态

确保张拉方案的成桥内力、线形状态与设计方案基本接近。

成桥内力选取结构关键截面：①主梁左边跨L/2截面，②主梁中跨左L/4截面，③主梁中跨L/2，④主梁中跨右L/4截面，⑤主梁右边跨L/2截面，⑥主拱左L/4截面，⑦主拱L/2截面，⑧主拱右L/4截面，⑨左侧主墩墩底截面，⑩右侧主墩墩底截面。

成桥线形选取主梁关键截面,即①主梁左边跨L/2截面，②主梁中跨左L/4截面，③主梁中跨L/2，④主梁中跨右L/4截面，⑤主梁右边跨L/2截面。

吊杆张拉方案可行性分析采用桥梁博士软件,建立平面模型,其中吊杆为桁架单元,其余为梁单元。计算模型见图2。

图2 桥梁博士软件建立的模型

5 吊杆张拉方案可行性分析

5.1 吊杆千斤顶张拉力验算

根据上节的计算方法,得到的方案2～方案4吊杆千斤顶张拉力见表3,表中数据为上下游两侧4根吊杆力之和。其中,表中数据,对于方案2和方案3为调整张拉阶段,各吊杆的千斤顶张拉力,对于方案4为初张拉阶段,各吊杆的千斤顶张拉力。

通过表3可知：方案2～方案4吊杆千斤顶张拉力均小于其容许值,吊杆张拉过程中,吊杆受力是安全的。

表3 方案2～方案4吊杆力千斤顶张拉力 kN

5.2 结构应力验算

计算结果表明：结构在方案2～方案4主要施工阶段和成桥阶段,主梁、主墩和主拱结构应力良好,完全满足规范要求,具有可靠的安全性。主梁、主墩、主拱关键截面最大压应力和拉应力见表4。主拱为钢结构,所以没有区分拉应力和压应力。

5.3 成桥状态验算

成桥阶段,方案2～方案4关键截面内力状态与设计方案的对比结果见表5、表6；线形状态对比结果见表7。

表4 方案2～方案4最大拉压应力 MPa

表5 方案2～方案4成桥阶段轴力状态与设计方案对比 kN

通过表5、表6和表7可知,方案2～方案4成桥阶段关键截面的内力和变形状态与设计方案非常接近,其中：

(1)轴力最大绝对差值百分比方案2不超过0.05%；方案3不超过0.08%；方案4不超过0.11%；

表6 方案2～方案4成桥阶段弯矩状态与设计方案对比 kN·m

表7 方案2～方案4成桥阶段线形与设计方案对比 m

(2)主拱和主墩弯矩最大绝对差值百分比方案2不超过2.33%；方案3不超过2.85%；方案4不超过8.71%；

(3)主梁的弯矩百分比较大,这主要是主梁弯矩值较低导致的,以4号截面为例,方案2绝对差值百分比达到了54.41%,但其绝对差值仅有9 kN·m；方案3绝对差值百分比达到了1 048.47%,但其绝对差值仅有179 kN·m；方案4绝对差值百分比达到了793.78%,但其绝对差值仅有135 kN·m。

(4)成桥线形的绝对差值方案2不超过0.001 m；方案3不超过0.002 m；方案4不超过0.002 m。

5.4 分析结果

(1)本文涉及到的4种吊杆张拉方案(1套设计方案,3套本文提出方案)均是可行的,无论在施工阶段还是成桥阶段,结构的力学指标均满足规范要求。

(2)计算证明,只要保证最终的成桥吊杆力与设计吊杆力相同,则无论采用何种张拉方案,结构的内力和线形状态均与设计方案非常接近。

6 吊杆张拉方案的确定

方案4采用一次张拉方案,该方案可达到简化张拉工序和工作量、缩短工期的目的,笔者认为它是本桥吊杆张拉的首选方案,并予以推荐。

本桥在确定吊杆张拉方案的专家评审会上,设计单位坚持采用的二次张拉方案,主要理由是采用二次

张拉,理论上可较好地修正后期施工阶段(如二期恒载等)带来的误差。

实施过程中,施工单位根据施工进度等现场的实际情况,进行了适时的调整,最终实施的吊杆张拉方案为：采用两次张拉法,分为初张拉阶段和调整张拉阶段,初张拉阶段安排在主拱落架、主梁支架拆除前进行；调整张拉阶段安排在部分二期恒载施加之前(调整张拉之前,除道砟轨道外的其余二期恒载均已施加)进行。张拉顺序上,初张拉阶段从拱脚到拱顶逐对、对称张拉；调整张拉阶段从拱顶到拱脚逐对、对称张拉。

最终实施的吊杆张拉方案介于设计方案和本文提到的方案3之间,根据分析过程,该方案可以确定在理论上是可行的。

7 结语

从张拉次数、张拉时机、张拉顺序3个方面对系杆拱桥张拉方案的确定进行了分析,同时对影响张拉方案的现场因素进行了分析,从而确保张拉方案计算理论的可靠性和现场施工的可操作性。通过分析,提出的3个吊杆张拉方案均为可行的,同时证明,只要最终的成桥吊杆力与设计吊杆力相同,则无论采用何种张拉方案,结构的内力和线形状态均与设计方案非常接近。

本文的分析过程不仅适用于系杆拱桥吊杆张拉方案的确定,同样适用于斜拉桥的斜拉索张拉方案的确定。

[1] 盛兴旺,李松报.确定系杆拱桥吊杆力的刚性连续梁法算法[J].铁道科学与工程学报,2009,6(3)：42-46.

[2] 刘亚平.钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的研究[J].中国港湾建设,2008,8(4):5-8.

[3] 赵光明,陈科昌.系杆拱桥调索工序时机选择[J].中南公路工程,1997,3 (1):28-31.

[4] 陈大庆.系杆拱桥刚性吊杆一次张拉设计[J].华东公路,1999,10(5):45-47.

[5] 虞建成,叶政权.泰州大桥系杆拱预应力刚性吊杆一次张拉模型试验研究[J].公路交通科技,2000,12(6):41-44.

[6] 杨允表,李 坚,彭 俊.大跨度中承式刚架系杆拱桥拱轴线的调整[J].上海公路,2001(1)：19-22.

[7] 楚海建,何结兵,顾爱军,梁金栋.系杆拱桥吊杆一次张拉方案的优化设计[J].华东公路,2002,2(1):46-48.

[8] 盛兴旺,张同飞.系杆拱桥吊杆千斤顶张拉力确定方法及其应用研究[J].铁道科学与工程学报,2010,6(3)：10-15.