钢管混凝土系杆拱桥吊杆张拉力控制优化分析

赵艺程 徐天倚

【摘要】在下承式系杆拱桥中，吊杆是至关重要的结构，其张拉力、张拉顺序对于桥梁受力影响较大。本文针对贵州省某系杆拱桥工程实例，分析吊杆张拉顺序的改变对主梁和拱肋的影响，为今后类似工程项目提供参考。

【关键词】系杆拱桥 吊杆 张拉顺序

1 引言

对于系杆拱桥，对吊杆张拉力、张拉顺序进行合理的调整，能让梁和拱中的恒载内力以及桥梁成桥状态达到理想结果。而问题的关键在于如何确定在不同施工阶段吊杆张拉力值、张拉顺序，这样能够保证施工阶段的安全，保证成桥的状态能够很好的控制。系杆拱桥施工过程中要达到设计状态往往需要进行多次张拉，但是减少张拉次数、优化张拉顺序，对实际施工具有重大意义。

2.工程概况

贵州省凯里市清水江大桥全长110m，主拱肋采用单圆钢管混凝土，全桥共两条拱肋，拱肋中心间距28m，主拱肋横向设有5道一字式径向横撑，

吊杆采用环氧喷涂钢绞线挤压成型为吊杆索体，极限抗拉强度为1860MPa，两端采用定型耐久性锚具。吊杆布置间距为10m，全桥20根吊杆。吊杆上锚头置于钢管混凝土拱肋内，下锚头置于系杆内。桥道系采用钢-混凝土组合梁，钢梁结构由钢纵梁、次纵梁、吊点钢横梁、次钢横梁及组合混凝土桥面板构成。

3.有限元模型建立

本文以清水江大桥系杆拱桥为实例，利用Midas/Civil建立空间模型进行分析，并根据施工过程中实际情况调整模型。Midas/Civil是国际上公认的桥梁结构分析与设计软件，能够开展静力，动力，稳定，活载影响线计算与加载等功能。

桥梁分析时，只关心上部桥梁（拱肋、吊杆、横撑、桥面系），桥面系主要包括系梁、端横梁、中横梁和纵梁。用梁单元模拟系梁、拱肋、横撑，用变截面两单元模拟系梁端部，吊杆用桁架单元模拟，桥面系用板单元模拟。本模型共计节点622个，梁单元690个，桁架单元20个，板单元372个。

本桥施工采用先梁后拱法，共简化为14个施工阶段，分别为：格子梁架设→主拱及横撑架设→灌注管内混凝土→主拱圈受力→拆除主拱支架→安装并张拉吊杆1#→安装并张拉吊杆2#→安装并张拉吊杆3#→安装并张拉吊杆4#→安装并张拉吊杆5#→拆除主梁支架→拱桥养护→二期铺装→施加收缩徐变及活载。吊杆编号分别为1#—10#，上下游、南北岸同时对称张拉。

4.吊杆张拉力确定

本文运用Midas软件建立全桥空间模型，以清水江大桥为工程背景，使用“一次成桥-倒装-正装”方法进行张拉力调试，确定成桥状态下结构的吊杆内力，并查看成桥之后主梁、拱肋以及吊杆力是否合理，再通过吊杆张拉顺序的调整，进行优化分析，最终得到最理想的张拉方案。

4.1一次成桥吊杆力的确定

针对一次成桥状态下的吊杆力，学者们提出了许多方法，主要有约束索力优化、无约束的索力优化、刚性支撑连续梁法、零位移法。本文的吊杆张拉力采用平衡法来确定。

在本分析模型中，用刚性支承来代替吊杆，然后进行全桥分析。如果该体系达到合理的弯矩状态，就可求得在恒载作用下梁的受力状态，得到一次成桥后吊杆力。

每个系梁与吊杆连接点i处的系梁弯矩 应有：

其中：

-单位力下第j根吊杆对i节点处梁的弯矩影响值；

-恒载下i节点处系梁弯矩；

-吊杆数；

-吊杆拉力。

用矩阵表示为：

其中：

-目标弯矩列阵；

-吊杆张拉力列阵；

-弯矩影响矩阵；

-恒载弯矩列阵。

利用Midas求出弯矩影响矩阵，并解得理想的吊杆张拉力。

4.2吊杆初张力的确定：

在实际施工过程中，吊杆张拉是分批次、逐步张拉的，吊杆张拉顺序会影响桥梁的变形、受力状态。系杆拱桥的内部是高次超静定的，前期的吊杆张拉力与后期的吊杆张拉力会相互影响。所以使用倒拆分析，按逆向施工顺序拆解回去，得到每个施工阶段吊杆的张拉力。

该方法原理如下：在一次成桥的模型基础上，建立反序的施工阶段、吊杆张拉顺序；依次反序拆除吊杆，可得到每个施工阶段所需的吊杆张拉力。

这样得到按一定顺序张拉的吊杆初张力之后，建立正序施工阶段分析模型，输入每个阶段的吊杆初张力，运行分析后进行主梁挠度、主梁内力、拱肋内力分析，然后根据结果进行手动微调初张力，即可得到该张拉顺序下的合理初张力。

5.吊杆张拉顺序优化

吊杆作为系杆拱桥的重要组成部分，其张拉顺序对整个桥梁的受力分布影响较大。通过对比桥梁在不同的张拉顺序下，吊杆内力，主拱内力、挠度，主梁内力、挠度的变化，证明对桥梁吊杆的张拉顺序进行优化，确定一组合适的张拉顺序，对于桥梁的受力具有重要意义。

清水江大桥在同样的主梁控制挠度下，选择不同的张拉顺序方案，通过对比成桥索力的均匀程度，得到最优的吊杆张拉顺序。如图 2所示

方案一（顺序张拉）：1#→2#→3#→4#→5#

方案二（跳跃张拉）：3#→4#→2#→5#→1#

图 3方案一（顺序张拉）成桥索力图

图 4方案二（跳跃张拉）成桥索力图

图 5成桥索力对比图

通过张拉顺序方案的对比，方案二的吊杆成桥索力更为均匀，合理可靠。

成桥后吊杆索力的实测值与设计值进行比较，全桥吊杆力控制比较均匀。每根实测值与目标值吻合很好，实测值与目标值的误差都在合理范圍内，从整体和布局来看都是合理的，满足通车设计要求。

6.结语

本论文以清水江系杆拱桥为工程背景，结合该类型桥的特点，梳理了该桥的建模过程，对计算过程中的重点环节一一吊杆力的确定方法进行了研究，还进行了吊杆张拉顺序优化分析，使得该桥成桥受力状态更为合理。

本桥的张拉调索是一次张拉到位，这样避免了二次张拉带来的很多不利因素，此调索方法可以为以后类似工程计算提供参考。在系杆拱的吊杆张拉施工方案确定中，采用合理的吊杆张拉顺序十分重要，如果采用不同的张拉顺序张拉，在得到同样的主梁挠度下，全桥受力状态是完全不一样的，所以想要得到一个理想的成桥受力状态，吊杆张拉顺序的优化是十分关键。

参考文献：

[1] 陈宝春.《钢管混凝土设计与施工》北京：人民交通出版社，1999。

[2] 范立础.《桥梁工程》（下）北京：人民交通出版社，1999。

[3] 顾安邦，徐君兰.《中、下承式拱桥短吊杆结构行为分析》重庆交通学院学报，2002第12期