梁拱组合刚构桥运营期下挠分析及处治对策研究

义启贵

(广西壮族自治区桂东公路发展中心，广西 梧州 543000)

伴随经济社会不断发展，国家对交通基础设施建设的投入越来越大，尤其以高速铁路的发展最为迅速，在高速铁路建设中大多为桥梁工程，而梁拱组合刚构拱桥又广泛应用于高速铁路桥梁建设[1,2]。但是在梁拱组合刚构桥成桥运营阶段，由于某些影响因素会导致桥梁出现各种病害，而主梁跨中挠度过大是最为常见的一种病害，它将导致主梁开裂，对结构的适用性、安全性、耐久性及使用寿命造成严重的影响[3,4]。目前国内外研究人员针对梁拱组合刚构桥主梁中跨跨中挠度下挠现象已经做了一定的研究，但是对于成桥后的梁拱组合桥主梁挠度提升鲜有研究，因此很有必要对于这方面作进一步研究[5,6]。因此文章针对梁拱组合桥主梁跨中下挠成因以及预防措施进行分析，提出采用二次张拉吊杆索力的方法来对处理运营期主梁跨中下挠过大的问题，结合数值分析软件对比分析三种主梁跨中提升方案吊杆索力增加值及安全系数，得到主梁跨中不同提升方案下各吊杆安全系数变化规律以及各吊杆二次张拉后索力增加值。

1 工程概况

河南至重庆方向高速铁路上梁拱组合刚构桥桥跨布置为(109+220+109)m，全长为457.1 m。系梁横截面采用单箱双室变高截面，边支点断面高4.0 m，中支点断面高7.5 m，采用C55混凝土，拱肋为哑铃型截面，其中钢管直径为1.2 m，内部浇筑C55混凝土，两条拱肋之间间距为12 m。

2 有限元模型建立

采用数值分析软件建立全过程的有限元模型，严格按照吊杆设计张拉力和设计张拉顺序建模。全桥主要采用梁单元和桁架单元，其中主梁、桥墩、拱肋及横撑采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟。

3 主梁跨中下挠成因及预防措施分析

3.1 跨中下挠的成因

通常来说一般桥梁的轴线有三条：第一条是桥梁的设计轴线；第二条是桥梁成桥时的轴线；第三条是收缩徐变基本完成后的桥梁轴线。当第三条轴线低于第一条，就出现了下挠问题。

3.2 跨中下挠预防措施

(1)控制负弯矩区域截面的应力梯度

在结构计算的负弯矩区域，通过增设有效预应力来增加截面上边缘的压应力；增加底板厚度可以有效的降低截面下边缘压应力导致的影响。有效地控制应力梯度，降低徐变下挠。

(2)减小预应力损失

采用真空压浆技术，浆体必须满足泌水性的要求，重视并及早进行工地的预应力损失试验等。这种压浆方法相较于常规的压浆方法能够提高孔道的压浆饱满度和致密性，同时在极大程度上还可以避免预应力钢束的锈蚀反应，继而提高主梁的极限承载力，防止梁体发生下挠甚至开裂现象。

(3)吊杆二次张拉

在梁拱组合桥成桥运营后，无法通过上述措施预防处治主梁下挠，但成桥后吊杆可以通过二次张拉来提升主梁，因此可以通过二次张拉吊杆索力来处治主梁跨中下挠过大问题。由于吊杆二次张拉后对其安全性影响较大，因此需要对吊杆二次张拉整个过程进行详细分析。

4 主梁运营期跨中下挠处治对策

4.1 跨中下挠处治方案

当全桥已经建成通车后，施工过程中的预防措施对于主梁运营期出现的跨中下挠现象无法解决了，因此只能通过将二次张拉吊杆索力，提升主梁挠度。文章结合实际工程情况，分别分析主梁提升1 cm、2 cm以及4 cm时吊杆二次张拉的索力方案以及吊杆安全系数。梁拱组合刚构桥全梁共设22组吊杆。其吊杆安全系数为3。

(1)主梁跨中提升1 cm

假定主梁建成运营阶段受到外部因素的影响，导致主梁跨中下挠1 cm时，为了使桥梁线形与设计轴线趋于重合，通过对中长吊杆共计18组吊杆进行二次张拉，结合数值分析模型，计算其索力增加值以及安全系数，吊杆二次张拉索力变化值及其安全系数计算结果汇总如表1所示。

表1 跨中挠度1 cm吊杆索力增加值及安全系数

根据表1所示吊杆索力增加值，结合数值分析模型对吊杆进行二次张拉，得到主梁跨中挠度变化值，可知主梁跨中提升了1.078 cm，同时吊杆在二次张拉后其安全系数均大于3，符合设计要求。

(2)主梁跨中提升2 cm

假定主梁建成运营阶段受到外部因素的影响，导致主梁跨中下挠2 cm时，为了使桥梁线形与设计轴线趋于重合，通过对中长吊杆共计18组吊杆进行二次张拉，结合数值分析模型，计算其索力变化值以及安全系数，吊杆二次张拉索力变化值及其安全系数计算结果汇总如表2所示。

表2 跨中挠度1 cm吊杆索力变化值及安全系数

根据表2所示吊杆索力增加值，结合数值分析模型对吊杆进行二次张拉，得到主梁跨中挠度变化值，可知主梁跨中提升了2.017 cm，同时吊杆在二次张拉后其安全系数均大于3，符合设计要求。

(3)主梁跨中提升4 cm

假定主梁建成运营阶段受到外部因素的影响，导致主梁跨中下挠4 cm时，为了使桥梁线形与设计轴线趋于重合，通过对中长吊杆共计18组吊杆进行二次张拉，结合数值分析模型，计算其索力变化值以及安全系数，吊杆二次张拉索力变化值及其安全系数计算结果汇总如表3所示。

表3 跨中挠度4 cm吊杆索力变化值及安全系数

根据表3所示吊杆索力增加值，结合数值分析模型对吊杆进行二次张拉，得到主梁跨中挠度变化值，可知主梁跨中提升了3.950 cm，同时吊杆在二次张拉后其安全系数均大于3，符合设计要求。

4.2 计算结果分析

采用二次张拉吊杆索力的方法来对跨中下挠过大的问题进行处理，结合数值分析软件对比分析三种主梁跨中提升方案吊杆索力增加值及安全系数，得到主梁跨中不同提升方案下各吊杆安全系数变化规律以及各吊杆二次张拉后索力增加值。计算结果如图2和图3所示。

图2 不同主梁跨中提升方案各吊杆安全系数变化图

根据图2可知，随着主梁跨中挠度提升值的增大，各吊杆的安全性能随之下降，但各吊杆安全系数均大于3，满足设计要求。其中11#和12#吊杆在主梁跨中提升1 cm和2 cm时吊杆的安全系数接近，但主梁跨中提升4 cm吊杆的安全系数相较于主梁跨中提升1 cm吊杆的安全系数降低了25.6%，由此可知，吊杆二次张拉索力能够提升主梁跨中挠度，但仍需考虑吊杆自身的安全性能，确保结构安全稳定性。由图3可知，各吊杆二次张拉索力均随着主梁跨中提升而增加，其中长吊杆6#～17#吊杆索力增加值变化幅度较小，而3#～5#吊杆以及18#～19#吊杆索力增加值较小，由此可知，主要通过长吊杆二次张拉来提升主梁跨中挠度。

5 结 论

针对梁拱组合桥中跨跨中下挠过大的影响因素以及中跨下挠预防措施进行分析，主要得出如下结论：

(1)通过分析主梁提升1 cm、2 cm以及4cm时吊杆二次张拉的索力方案以及吊杆安全系数可知，当主梁运营期出现跨中下挠的现象时，可以通过二次张拉吊杆索力的处治对策来提升主梁挠度，

(2)随着主梁跨中挠度提升值的增大，各吊杆的安全性能随之下降，但各吊杆安全系数均大于3，满足设计要求。其中11#和12#吊杆在主梁跨中提升1 cm和2 cm时吊杆的安全系数接近，因此吊杆二次张拉时需考虑吊杆自身的安全性能，确保结构安全稳定性。

(3)各吊杆二次张拉索力均随着主梁跨中提升而增加，其中长吊杆6#～17#吊杆索力增加值变化幅度较小，而3#～5#吊杆以及18#～19#吊杆索力增加值较小，因此主要通过长吊杆二次张拉来提升主梁跨中挠度。