梁拱组合体系桥梁吊杆张拉方案合理性研究

周伟明

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司 合肥市 230011)

梁拱组合体系桥梁属外部静定、内部超静定结构，最显著的特点是可以通过调整吊杆索力来改变结构的内力分布，从而优化结构受力。对于梁拱组合体系桥梁的吊杆张拉施工而言，需要确定一个合理的吊杆张拉方案，使得该张拉方案所经历的一切中间状态均满足结构的内力、变形及施工机具承载力要求，并在吊杆张拉结束后达到预先制定的成桥目标设计状态。针对施工过程中吊杆张拉的不确定性，以梁拱组合体系桥梁为研究对象，通过比较分析该类型桥在施工中常用的吊杆张拉方案，分析不同吊杆张拉顺序对结构引起的内力及变形，从而确定吊杆张拉方案的合理性。

1 工程案例

1.1 工程概况

安徽省阜阳市向阳路颍河大桥主桥跨径布置为(47+148+47)m。主桥为三跨梁拱组合体系桥梁，拱圈为双片钢箱拱。拱圈截面为矩形钢箱结构，拱圈轴线为二次抛物线，矢跨比为1/4，拱脚位置处拱圈上、下缘线为二次抛物线与圆弧线的组合线型。钢纵梁梁高为2.5m，宽2.0m。纵梁顶底板、腹板厚度均为24mm。纵梁顶底板均采用I型加劲肋，加劲肋高度为170mm、厚14mm。主梁内设平衡拱肋推力的水平系杆索，每侧钢纵梁内穿越4束，组成结构的柔性杆体系，单根系杆由16股Φ15.2环氧钢绞线组成。吊杆采用Φ15-15环氧无粘结钢绞线整束挤压式吊杆体系。桥型总体布置如图1所示，吊杆编号布置如图2所示。

图1 颍河大桥总体布置图(单位：cm)

图2 颍河大桥吊杆编号示意图

1.2 有限元模型

利用有限元分析软件MIDAS/CIVIL 2015建立该桥的模型，并按照具体施工流程建立该桥的施工阶段模型，以模拟分析吊杆张拉施工过程。拱肋、系梁均采用梁单元模拟；吊杆采用桁架单元模拟；系梁支架采用只受压弹性连接模拟。

2 吊杆张拉施工的合理性探讨

由于梁拱组合体系桥梁内部超静定的特性，在施工过程中，结构处于“暂态”，结构内力在每个施工阶段都存在交替变化。因此，吊杆张拉施工的合理性包含了吊杆张拉顺序以及张拉控制力两方面。

2.1 吊杆张拉顺序方案

成桥吊杆索力作为最终的目标索力是按照一定的吊杆张拉顺序逐批次张拉吊杆实现的。以图1、图2所示的一座梁拱组合体系桥梁为例，分析其吊杆的张拉顺序对结构内力及线型的影响。以对称依次张拉和对称交替张拉的原则确定五种吊杆张拉顺序方案：

方案Ⅰ：由拱脚到拱顶对称依次张拉，即D1～D11顺序。

方案Ⅱ：由拱脚到拱顶对称交替张拉，即D1-D3-D5-D7-D9-D11-D2-D4-D6-D8-D10顺序。

方案Ⅲ：由拱顶到拱脚对称依次张拉，即D11～D1顺序。

方案Ⅳ：由拱顶到拱脚对称交替张拉，即D11-D9-D7-D5-D3-D1-D10-D8-D6-D4-D2顺序。

方案Ⅴ：由1/4拱、拱顶、拱脚对称交替张拉，即：D6-D5-D7-D8-D4-D3-D9-D10-D11-D2-D1顺序。

2.2 吊杆张拉控制力计算方法

在确定吊杆目标索力后，需要求出施工过程中吊杆张拉控制力。在梁拱组合体系桥梁的吊杆张拉施工过程中，期间会伴随着结构的变形、系梁支承体系的转换及内力的重分布，分批张拉的吊杆之间也会有相互影响。根据吊杆张拉顺序，确定吊杆的张拉控制力，使每阶段吊杆张拉完毕后，所有吊杆张拉力达到目标值。吊杆张拉方案按张拉次数可分为一次张拉到位方案和多次张拉到位两类。由于在实际施工中，一次张拉到位的方案通常存在安全隐患大、成桥索力误差较大以及对张拉设备要求高等弊端，故通常采用两次张拉方案进行吊杆张拉施工。目前计算吊杆张拉控制力的方法主要有迭代法、倒拆法和影响矩阵法。

实际施工张拉时，以设计图纸中的吊杆初张力为目标值(通常为成桥吊杆索力的60%)，根据吊杆张拉顺序，按倒拆法分析第一次吊杆初张拉控制力。在施工完二期恒载及剩余系杆张拉后，根据吊杆张拉顺序，用影响矩阵法分析第二次吊杆张拉调整的张拉控制力。那么在所有吊杆施工完毕后，各吊杆的拉索力能满足成桥吊杆索力目标值。

必须注意的是，由于桥面系施工一般采用支架原位拼装，在吊杆开始张拉到张拉结束，可能存在着体系的转换，这会给倒拆分析带来较大困难。因此可在计算中假设在第一次吊杆初张拉结束后再对系梁支架进行脱架，这与大多现实情况相符。

2.3 吊杆张拉施工的合理性准则

(1)安全性准则：即结构受力、稳定性符合要求。在吊杆张拉过程中，结构各构件(系梁、拱肋和吊杆)应力不应超过规范规定的容许值。

(2)适用性准则：即在吊杆张拉过程中，吊杆初张力不宜超过成桥设计索力太多，避免为满足施工中短暂的强度要求而增加材料强度等级或增大材料用量，提高材料利用率；结构应力宜较平缓地过渡，避免剧烈变化。

(3)经济性准则：即吊杆张拉施工应兼顾施工的经济便捷性。各吊杆的初张力不宜相差过大，减少不同吨位张拉设备数量。同时，还应尽量简化张拉施工操作，避免张拉设备往复移动。

3 吊杆张拉方案比较分析

3.1 吊杆张拉控制力

根据吊杆张拉顺序，先将吊杆从0张拉至第一次吊杆张拉索力目标值(600kN)；再将吊杆从第一次吊杆张拉索力目标值张拉至成桥吊杆张拉索力目标值。张拉顺序Ⅰ～Ⅴ对应的吊杆张拉控制力如表1所示。

据表1可知，采用两次张拉的吊杆张拉方案，多数情况下吊杆张拉控制力在较低水平，且各批次吊杆张拉控制力较为平均，从而可使吊杆张拉设备的规格要求随之降低。另外，此5种张拉方案对应的吊杆张拉控制力均未超过吊杆的设计索力，符合相关规范的要求。

3.2 吊杆张拉施工过程的结构应力

施工过程中，取拱脚(系梁支点)、1/4拱(系梁1/4跨)、拱顶(系梁跨中)六个关键截面做分析：5种吊杆张拉方案对应的施工过程中钢箱拱的正应力处于-138～13MPa，符合相关规范的要求；钢系梁的正应力大多处于-35.4～75.7MPa，符合相关规范的要求。结构关键截面的应力峰值以及应力变化如图3～图12所示。

表1 各张拉方案的吊杆张拉控制力(单位：kN)

图3 张拉方案Ⅰ拱肋关键截面应力

图4 张拉方案Ⅰ系梁关键截面应力

图5 张拉方案Ⅱ拱肋关键截面应力

图6 张拉方案Ⅱ系梁关键截面应力

图8 张拉方案Ⅲ系梁关键截面应力

图9 张拉方案Ⅳ拱肋关键截面应力

图10 张拉方案Ⅳ系梁关键截面应力

图11 张拉方案Ⅴ拱肋关键截面应力

图12 张拉方案Ⅴ系梁关键截面应力

据图3～图12所示：

(1)在吊杆初张拉完系梁脱架后以及施加二期恒载后，结构应力会经历较大变化幅度，这是符合实际情况的。

(2)当设置合理的吊杆初张力目标值时，由于系梁脱架的影响，吊杆的二次张拉仅须对吊杆索力进行调整。这大大降低了吊杆张拉过程中结构应力的往复变化幅度。除张拉方案Ⅲ外，所有张拉方案在其他施工阶段均保持较小的应力往复变化幅度。

相比之下，张拉方案Ⅱ、Ⅴ的结构应力变化较方案Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ更为平缓。

4 结论

以梁拱组合体系桥梁为研究对象，结合具体的工程实例，分析各吊杆张拉方案，得到以下结论：

(1)采用支架法施工的梁拱组合体系桥梁，由于在第一次张拉吊杆的过程中，系梁的脱架过程是复杂且难以精确模拟的。故在有限元的分析计算中，系梁脱架这一体系转换过程可在吊杆第一次张拉完毕后采用一次脱架考虑。

(2)当考虑吊杆张拉过程中结构的体系转换时，结构施工过程中的应力在吊杆第一次张拉期间变化较小，结构应力的变化受吊杆第二次张拉影响较大，而在体系转换这一施工过程变化最为剧烈，施工时应加强监测。

(3)在吊杆张拉施工过程中，对称交替张拉吊杆方式可使张拉过程中结构的应力分布更均匀，有利于保证结构的安全。从1/4拱位置吊杆或拱脚位置吊杆开始进行对称交替张拉的施工顺序是比较合理的。

在张拉机具合理选择前提下，当设置合理的吊杆初张力目标值时，吊杆的二次张拉仅须对吊杆索力进行较小调整，结构应力在二次张拉期间变化幅度相应较小，因此可根据施工条件灵活地选择二次张拉时的施工顺序。因此，在梁拱组合体系桥梁的吊杆张拉施工前，对吊杆初张拉的目标值进行验算及优化是有益的。