基于预制吊装法施工系杆拱的系杆极限安装跨度的研究与应用

尚宗柱

摘要： 以芜申线（高溧段）航道整治工程桥梁6标堑口大桥系杆拱施工为工程背景，从钢筋混凝土的三种破坏形式及适筋梁的三個受力阶段分析入手，详细阐述了第一阶段及第二阶段对应的系杆最大安装跨度推算过程，以及确定决定系杆极限安装跨度的具体阶段，最后介绍了系杆极限安装跨度结论的实际应用情况及应用前景。

Abstract： The construction of the tie-bar arch of the 6# Qiankou bridge of the Wushen Line （Gaoli Section） Waterway Improvement Project is taken as the engineering background. Starting from the three failure modes of reinforced concrete and the analysis of the three stress stages of the suitable beam， the calculation process of the maximum installation span of the tie rod corresponding to the first stage and the second stage is described， and the specific stage of determining the limit installation span of the tie rod is determined. Finally， the practical application situation and application prospect of the limit installation span of the tie rod are introduced.

关键词：极限;安装跨度;三个受力阶段;应用

Key words： limit;installation span;three stress stages;application

中图分类号：U445.4                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）15-0084-04

0  引言

芜申线（高溧段）航道整治工程桥梁6标堑口大桥主跨芜申运河设计为一孔90m钢管混凝土系杆拱桥，其中系杆施工采用预制吊装方法，该法具有通航净高大、投入周转料少、经济效益好的优点，实际应用最广泛，其特点是系杆依靠自身刚度跨越临时通航孔，当航道等级高、临时通航净宽较大时，系杆预制时就需要加大分段长度以适应较大的通航净宽要求，这种情况下，系杆安装后会产生较大弯矩，主拉应力会超出系杆混凝土设计拉应力而出现裂缝，这时，方案编织者往往认为系杆已超出跨度极限而否定预制吊装法方案，退而选择膺架贝雷梁预制安装方案或膺架贝雷梁现浇方案。

只要系杆的实际极限跨越能力大于规定通航净宽，就可以采用膺架预制吊装法，因此探究系杆的真正极限安装跨度对膺架预制吊装法的进一步推广具有重要意义。

1  系杆的结构形式

本文以芜申线（高溧段）航道整治工程桥梁6标堑口大桥系杆拱桥系杆作为研究对象，其断面尺寸为1.3m×2m，纵断面在对应中横梁位置设计为实心钢筋混凝土，实心段中心间距5.2m，两实心段之间设置空腔，空腔长度4.2m，宽度0.7m，高度1.4m，四周设10cm×10cm倒角，系杆断面内上下各设置一层C25主筋及12孔预应力管道，其具体结构如图1。

2  系杆极限安装跨度推算

2.1 钢筋混凝土梁的三种破坏形式

预制安装阶段的系杆属于标准钢筋混凝土梁，根据纵向受拉钢筋的配筋率ρ的不同，受弯构件正截面受弯破坏形态有适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏三种，这“三种破坏形式”特征曲线见图2。

M1为少筋梁破坏时的正截面弯矩;

M2为适筋梁出现裂缝时的正截面弯矩;

M3为适筋梁破坏时的正截面弯矩;

M4为超筋梁破坏时的正截面弯矩;

ω1为少筋梁破坏时的扰度;

ω2、ω3为适筋梁出现裂缝时的突变前后扰度;

ω4为超筋梁破坏时的扰度;

ω5为适筋梁破坏时的扰度。

由“关系图”可以看出ω5>ω4>ω1，阐明超筋破坏和少筋破坏破坏前没有明显征兆，危害性大，而适筋破坏破坏前有明显征兆，这也是设计人员以适筋破坏方式配筋主要原因，可进一步将上述特征总结为表1。

2.2 系杆受弯的三个受力阶段分析

上节已经论述过系杆构件为适筋梁，系杆预制安装属于典型的受弯梁，研究分析适筋梁的受弯状态即可推算出系杆的极限安装跨度，随着系杆正截面弯矩增加，其受力状态将经过三个阶段，即未裂阶段、带裂缝工作阶以及破坏阶段，三个阶段中钢筋混凝土的特征关系如图3。

M1为少系杆出现裂缝时的正截面弯矩;

M2为钢筋开始屈服时的正截面弯矩;

M3为系杆破坏时的正截面弯矩;

σ1为梁的允许受拉应力;

σ2、σ3为出现裂缝时钢筋突变前后应力;

σ4为钢筋屈服应力;

ω1、ω2为系杆出现裂缝时的突变前后扰度。

根据图3的特性，可将系杆三个阶段的受力特征总结如表2。

根据表2，进一步分析决定系杆极限安装跨度的具体阶段。

第一阶段：钢筋受力较小，混凝土未超出允许应力，系杆结构未出现“损伤”，人们常常选择本阶段最大值作为系杆抗弯能力的极限值，根据图2可以看出，进入第二阶段后，抗弯能力进一步提高，接下来再对第二阶段做分析。

第二阶段：钢筋受力增加，但未超出屈服应力，但混凝土出现裂缝，系杆结构出现“损伤”，该部分损伤即是指裂缝，根据表3，构件最大裂缝宽度限值范围内的裂缝是允许存在的，因此，决定系杆极限抗弯能力的阶段至少在第二阶段。

第三阶段：钢筋出现屈服，受拉区混凝土完全退出工作，梁体受到不可逆转的损坏，受弯构件进入第三阶段便不能使用，必须按报废处理。

综上所述，第一阶段和第二阶段是计算最大抗弯能力的两种方法，第一阶段结构力学特性是线性相关的，该方法是应用最广泛的，第二阶段结构力学特性是非线性相关的，这阶段是系杆极限抗弯能力的决定阶段。

2.3 第一阶段最大安装跨度推算

本阶段力学特征均为线性相关，钢筋与混凝土同步收缩，以堑口大桥系杆为计算对象，计算如下：

从计算结果可以看出系杆在“第一阶段”最大安装跨度并不是很高，主要是混凝土受拉应力小，在不破坏混凝土的情况下，钢筋与混凝土同步发生很小的应变，导致钢筋应力小，性能不能有效发挥所致。

2.4 第二阶段最大安装跨度推算

系杆在“第二阶段”受力原理是混凝土产生裂缝，逐渐退出工作，裂缝提供了钢筋产生较大应变的空间，钢筋应力骤然增加，正截面抗弯主体由混凝土转变为钢筋。

本阶段力学特征均为非线性相关，钢筋与混凝土同步收缩，以堑口大桥系杆为计算对象，计算如下：

随着混凝土裂缝宽度的增加，将会导致混凝土的拉应力减小、裂缝数量增加、钢筋应力增加，可以将上述关系大致表示为下列等式：

在此，借助MIDAS FEA进行计算，经过多次迭代计算，最后算得最大跨径达到了29m。（图5-图7）

从计算结果看，系杆下半部沿纵向出现拱形裂缝区，裂缝最大宽度为0.16mm，出现在系杆跨中底部，此时钢筋应力达到了108MPa，在此阶段，系杆带裂缝工作，钢筋效能充分发挥，安装跨度显著提升，由此可以确定，系杆的极限安装跨度由第二阶段受力状态决定。

3  极限安装跨度的实际应用

堑口大桥系杆采用预制吊装法施工，当地海事部门要求临时通航孔需达到24m×6m标准，第一阶段最大安装跨度仅为18.8m，显然不能满足临时通航要求，而第二阶段最大安装跨度（即极限安装跨度）可达到29m，根据该结论，结合堑口大桥地理条件，我们将系杆最大预制长度设置为26.5m，水中膺架支撑间距为25m，具体见图8。

2017年10月17日，我们顺利地完成了堑口大桥系杆安装，这也验证了极限安装跨度结论的正确性，现场安装如图9。

4  结论

①采用第一阶段计算系杆最大安装跨度的方法偏保守，系杆自身抗弯性能不能充分发挥，甚至会导致方案不可行，其计算出的最大安装跨度也并非极限安装跨度。

②第二阶段下，系杆带裂缝工作，钢筋充分发挥作用，当裂缝宽度在允许范围内并接近最大值时，系杆达到极限安装跨度。

③系杆安装受力状态是暂时性的，当后期系杆预应力施加及吊索张拉后，整个系杆处于受压状态，裂缝随即消失，系杆总体没有损伤。

④极限安装跨度的结论可推广至类似工程的极限跨度及极限承载力研究中，应用前景广阔。

參考文献：

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[2]张文邦，韩瑞，范学印.系杆拱桥上部结构预制安装施工技术[J].中国水运，2011.

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