下承式系杆拱桥吊杆张拉控制分析

邹仕奇

(中交三公局第二工程有限公司， 天津 100124)

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。系杆拱桥是一种由系梁、拱肋与吊杆组成的外部静定、内部超静定的梁拱组合体系，集拱与梁的优点于一身，将拱与梁2种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用，支座不受拱的水平推力，桥梁建筑高度低，跨越能力大，已得到越来越广泛的应用，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。

1 工程概况

先锋桥桥跨布置为5×20+90+7×20，主桥采用1孔90m下承式预应力钢筋混凝土系杆拱，计算跨径为90.3m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/5，矢高18.06m。桥面宽度：2.0m（人行道）+12m（机非混合车道）+2m（人行道）=16m，桥面结构由拱肋、风撑、系杆、中横梁、端横梁、吊杆、行车道板组成。桥梁设计荷载等级为公路—1级。

全桥共设2×17根吊杆，间距为5m，对应吊杆间设横梁，吊杆索体采用ψ7-61高强钢丝，吊杆采用7-61型冷铸锚,跨中向两侧对称进行安装，自左向右编号为1-17#，安装顺序为：9-7（11）-5（13）-3（15）-1（17）-8（10）-6（12）-4（14）-2（16）。钢材：弹性模量：E=2.05×105MPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7850kg/m3；C50混凝土：弹性模量：E=3.45×104MPa；泊松比μ=0.2；密度ρ=2600kg/m3；fcd=22.4MPa；ftd=1.83MPa；重力加速度：9.81m/s2。

2 施工工艺流程

施工准备--拆除原桥上部结构—搭设系杆、拱脚支架—预制全桥预制构件—现浇端横梁—1次浇筑拱脚--张拉端横梁全部预应力束—现浇系杆—张拉系杆第一批预应力束—2次浇筑拱脚—吊装第1批中横梁—张拉中横梁第2批预应力束—搭设拱肋吊装支架—吊装拱肋、风撑—张拉系杆第2批预应力束—安装吊杆—张拉吊杆第1批张拉力—吊装剩余中横梁—张拉中横梁第第2批预应力束—安装行车道板—张拉中横梁第3批预应力束—安装人行道板—张拉吊杆第2批预应力束—现浇桥面及桥面附属工程。

3 有限元模型

计算采用大型通用有限元程序建立拱桥系杆下挠、整体顶升纠偏受力模型。通过建立三维实体单元模型，对拱桥系杆下挠、顶升纠偏措施进行仿真模拟。全桥共划分10820个C3D8R单元（含支座）。拱桥内部属于超静定，外部为简支受力体系，模型中5号墩支座约束约束x、y方向平动自由度，6号墩约束其x、y和z三个方向的平动自由度。拱肋系杆有限元计算模型如图1所示。

图1 拱肋系杆有限元模型

表1 S11方向（水平向）最大拉压应力

表2 U2位移（竖向）最大下挠值

根据以上分析可知，系杆经过三次分级顶升后，基本上能够恢复原设计标高，但系杆局部会产生拉应力，拉应力最大值为0.95MPa，满足规范要求。

4 吊杆试张拉应力与线形检测

首先，吊杆张拉前提是保证结构安全，在张拉吊杆时，张拉前后要保证吊杆索力在安全范围，不能超出一定的安全系数，系杆和拱肋应力均须在安全范围。其次，吊杆张拉应遵循可靠的方法。由于拱肋和系杆毕竟刚度有限，张拉某一根吊杆时，拱肋和系杆发生一定位移，附近吊杆索力也会发生改变。张拉某根吊杆对相邻吊杆内力的影响最大，同时对全桥其他已张拉吊杆的索力均有不同程度的影响，可谓“拉一索而动全索”。通过大量的实际工程证明，这种影响存在明显的非线性特征，这也给吊杆张拉或调整的施工控制带来了一定的困难。因此，张拉时不能随意张拉，否则可能导致索力混乱，增大张拉的困难。因此，应该寻找到一套可靠的索力张拉方法。

经过吊杆张拉，拱肋跨中截面下缘及拱脚截面上缘均有一定的拉应力，最大拉应力达1.8MPa，小于C50混凝土抗拉强度标准值2.65MPa。

整个张拉过程中拱肋变形量不大，最大17mm，但左右侧拱肋的变形对称性稍欠缺，这是由于拱肋采用全站仪测试相对变形量，每次仪器布设位置、环境温度等对测量结果也带来一定的误差。

经过三轮张拉及部分吊杆补张拉，系梁截面上下缘应力较张拉前均有较大的改观，除7#截面外，其余截面应力分布基本还可以接受。7#截面下缘实测拉应力由张拉前的5.3MPa变化至现有的0.7MPa，上缘压应力也有较大的减小，7-1由张拉前-25.6MPa减小到目前的-18.3MPa，7-2由张拉前-29.7MPa减小到目前的-22.4MPa。目前实测上缘压应力最大-22.4MPa，仍然偏大。

通过吊杆张拉及部分吊杆补张拉，系梁截面应力分布较张拉前较大改观，拱肋截面应力分布也较为合理，张拉后对系梁外观进行调查，张拉过程中未见明显病害发生。

5 结论

本文通过锡澄运河航道整治工程桥梁项目看出，其采用大型通用有限元程序建立拱桥系杆下挠、整体顶升纠偏受力三维实体单元模型，对拱桥系杆下挠、顶升纠偏措施进行仿真模拟，得出以下结论：

（1）经过三次分级顶升纠偏，系杆高程基本能达到设计值范围内。但局部会差生最大为0.95 MPa的拉应力；

（2）建议没计顶升纠偏应持荷一定时间，经应力观测一段时间且满足要求后才可进行下一级顶升，期间应加强检测；

（3）顶升过程中，系杆底部拉应力应控制在合理范围内，可适当加大荷载，作为对后续工序荷载的应力储备；

（4）系梁截面应力除7#截面外，其余截面应力分布基本合理，未出现超限拉压应力情况。

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