钢箱系杆拱桥吊索张拉方案比选分析

摘要：为对系杆拱桥施工阶段的吊索张拉方案进行研究，文章以某城市钢箱系杆拱桥为工程背景，基于吊索最常见的4种张拉顺序，提出4种张拉方案，从成桥索力精度、结构受力变形、施工便利性等方面综合考虑，比选出吊索最优张拉方案。结果表明：方案三（边中交替张拉）得到的成桥索力误差最小，结构各施工阶段受力也相对较小，位移变化均匀，且施工相对便利，方案相对最优。

关键词：拱桥；钢箱；系杆；成桥索力；方案比选

0引言

下承式系桿拱桥以其结构轻盈、造型优美、跨越能力大、建筑高度小等优点一直受到桥梁建设者的青睐，尤其在地质条件较差的城市更是被广泛地应用［1］。其一般由拱肋、吊索、系杆及桥面系组成，整体简支于桥墩之上。

系杆拱桥整体施工顺序一般为先支架施工主梁，后施工拱肋及张拉系杆，最后张拉吊索完成体系转换［2-3］。在一些通航的城市河流段，往往还会选择先在陆地支架施工到完成整座系杆拱桥体系转换，再将整座桥梁顶推至桥位处。由于在施工阶段需要张拉吊索，因此可以通过张拉吊索，调整索力，优化整座桥梁受力。然而，由于该桥型施工顺序为“先梁后拱”，再进行吊索张拉，因此吊索张拉方案有无数种，如何确定一个合理的吊索张拉方案，即使成桥索力达到设计目标，且结构各施工阶段受力相对较小，施工相对便捷，对此同行做了不少研究与实践［4-6］。

本文在以往研究的基础上，以某钢箱系杆拱桥为研究对象，通过对比分析4种不同吊索张拉方案的优劣，找到相对最优的吊索张拉方案，为背景工程施工提供技术保障。

1 工程概况

背景工程为某城市钢箱系杆拱桥，跨越城市河流，主桥为主跨150 m下承式钢箱系杆拱桥，桥面宽16 m，计算跨径为146 m，计算矢高为29.2 m，矢跨比为1/5，拱轴线设计为抛物线，其立面如图1所示。

桥面采用纵横梁体系、整体桥面板结构，均采用Q355钢材。吊索顺桥向间距为9.0 m，全桥共15对吊索，从拱脚至跨中依次编号为T1～T8。所有吊索采用1 860 MPa级别的索体用环氧喷涂PE护套钢绞线缠包后热挤HDPE层+聚脲防护层（单边厚度≈1.5 mm），吊索T1型号为15.2-17，其余吊索型号为15.2-15。

根据施工方案，本桥主要施工工序为：（1）桩基、承台、主墩等下部结构及基础施工；（2）岸上搭设满堂支架，安装系梁及桥面系；（3）安装拱肋及横撑；（4）张拉吊索完成体系转换；（5）安装导梁，整桥循环多点顶推至实际桥孔；（6）拆除临时设施，完成预制桥面板施工并张拉系杆；（7）完成桥面铺装及附属设施施工。

本文主要对背景工程吊索张拉进行多方案比选分析，寻找最合理的吊索张拉方案，即能满足设计与施工要求，且能保证施工的相对便利性。

2 吊索张拉方案设计

由于下承式系杆拱桥施工顺序一般为“先梁后拱”，再张拉吊索完成体系转换，因此吊索张拉方案有无数多种，但大体张拉顺序为4种，即先边后中、先中后边、边中交替、边中对称。本文基于4种张拉顺序，设计4种张拉方案进行比选，如表1所示。

3 有限元模型的建立

为对设计的4种吊索张拉方案进行比选分析，本文采用Midas Civil软件建立结构整体有限元模型，如图2所示。

在模型中，拱肋、横撑、系杆、桥面系均采用梁单元进行模拟，吊索采用桁架单元进行模拟，施工满堂支架采用只受压弹性支座进行模拟，成桥边界则按设计文件进行设置，施工阶段划分则严格按实际施工顺序及上文设计的张拉顺序进行模拟。全桥模型共计419个节点，402个单元。

4 吊索张拉方案比选分析

由于本项目主梁采用满堂支架拼装施工，待所有吊索张拉完才拆除支架，因此，主梁线形及受力在吊索张拉过程中变化不显著，故只从吊索的成桥拉力，拱肋应力（取拱顶、1/4拱肋处）、拱肋位移等方面对4个方案进行比选分析。

4.1 吊索成桥索力及初始张拉力对比分析

吊索实际成桥索力一般以设计成桥索力为目标（设计单位提供），根据实际张拉顺序，通过对施工过程的迭代计算，求得各施工阶段吊索初始张拉力。总体目标原则为：实际成桥索力误差最小；各吊索初始张拉力相对较小。具体求解过程如下：

（1）建立全桥有限元模型，以设计成桥索力为吊索初始张拉力，根据张拉方案进行倒拆建模分析，得到各施工阶段吊索初次张拉索力。

（2）以倒拆分析得到的吊索初次张拉索力作为其施工阶段初始张拉力，根据张拉方案进行正装建模分析，得到实际成桥索力。

（3）将（2）中得到的实际成桥索力与目标索力进行对比，得出误差值。

（4）重复（2）、（3）的计算过程，进行多次迭代，使实际成桥索力与目标索力误差值达到最小，得到最终各张拉方案的成桥索力与初始张拉力。

采用倒拆-正装迭代方法分析得到的各张拉方案成桥索力及初始张拉力如表2所示。

由表2分析可知，从成桥索力来看，由于本桥拱肋、主梁等均为钢结构构件，无收缩徐变问题，因此，4个张拉方案中采用倒拆-正装迭代分析得到的成桥索力与目标索力误差均较小，基本在1.3%以内。总体来说各张拉方案均满足施工精度要求，方案三的施工精度最高，即成桥索力与目标索力最接近。

从各索初始张拉力来看，各张拉方案最大初始张拉力均发生在T1吊索；方案二最大初始张拉力为514.5 kN，其他3个方案最大初始张拉力均为548 kN左右，但方案二T1、T2、T3、T4吊索初始张拉力基本＞450 kN；方案一中＞430 kN的有3对吊索，方案四中＞400 kN的有4对，方案三虽有2对吊索初始张拉力＞500 kN，但其他吊索初始张拉力均＜350 kN，50%以上的吊索初始张拉力＜310 kN。因此，相比其他3个张拉方案，方案三各吊索初始张拉力相对较小。

4.2 拱肋应力对比分析

当因吊杆的张拉导致截面弯矩较大时，拱肋上下缘受压，当压应力超过一定限值时，拱肋可能存在屈服或屈曲的危险，因此在吊索张拉过程中应对拱肋应力进行控制。下文重点通过对比1/4拱肋及拱顶应力来比选最优张拉方案。经有限元正装分析，各施工阶段1/4拱肋及拱顶应力如下页表3、表4所示。

由表3、表4分析可知，方案四各施工阶段最大应力为23.8 MPa，最小应力为0.19 MPa；方案一各施工阶段最大应力为23.0 MPa，最小应力为1.5 MPa；方案二各施工阶段最大应力为20.9 MPa，最小应力为2.06 MPa；方案三各施工阶段最大应力为19.9 MPa，最小应力为2.82 MPa。可见，整个施工过程中方案三整体应力相对最小，整体应力幅度也相比最小。因此，方案三能保证主拱肋在各吊索张拉过程中上下缘应力相对较小，且应力变化幅值不大，相对均匀，综合对比最优。

4.3 拱肋位移对比分析

拱肋变形也是施工控制中的重要指标，可重点通过对比1/4拱肋及拱顶竖向位移来比选最优张拉方案。经有限元正装分析，各施工阶段1/4拱肋及拱顶竖向位移如表5所示。

由表5分析可知：方案一1/4拱肋各施工阶段位移相比最大，最大位移达到22.40 mm，方案二次之，最大达22.07 mm。方案三、方案四1/4拱肋各施工阶段位移相对稍少，总体与方案一、方案二相差不大，但方案三位移变化相对均匀。

方案二拱顶各施工阶段位移相比最大，最大位移达到29.22 mm，方案一次之，最大达26.29 mm，但位移变化幅度较大。方案三、方案四拱顶各施工阶段位移相对稍少，总体位移变化相对均匀。

综合对比1/4拱肋及拱顶位移大小及变化幅度，方案三的位移相对较少，且位移变化均匀，综合对比最优。

4.4 施工便利性对比分析

从施工便利性方面来看，4个方案中吊索张拉阶段最大索力相差不大，所以张拉设备在选型上基本一致，区别不大。综合对比，方案三的施工阶段张拉力相比较小，张拉过程的索力相对更好控制，施工成本及施工风险相对最低。

5 结语

本文以背景工程为研究对象，建立全桥整体有限元模型，采用倒拆-正装迭代法分析，对4种吊索张拉方案下的成桥索力精度、初始张拉力、拱肋应力与位移、施工便利性等进行了详细对比分析，最终比选出最优吊索张拉方案（方案三）。实际施工即采用了本文方案三进行吊索张拉，张拉过程顺利，成桥索力与线形与设计吻合度均较高。

参考文献：

［1］赵君委，邵志向，房永祥.钢箱系杆拱桥吊杆张拉顺序方案研究［J］.公路与汽运，2018（1）：126-128.

［2］王 莉.系杆拱桥吊杆张拉方案优化试验研究［J］.中外公路，2020，60（1）：11-14.

［3］郭 鑫，颜东煌，袁 晟，等.刚性系杆拱桥吊杆张拉索力施工控制研究［J］.中外公路，2020，40（5）：81-86.

［4］傅金龙，黄天立.钢管混凝土拱桥吊杆张拉方案优化研究［J］.桥梁建设，2016，46（4）：67-72.

［5］周小勇，吕志敏，王加辉，等.支架现浇系杆拱桥吊杆张拉方案优化［J］.中外公路，2022，42（2）：125-130.

［6］史恒利，季日臣，張玉柱，等.钢管混凝土系杆叠拱桥吊杆张拉方案分析［J］.黑龙江交通科技，2019（6）：102-105.

作者简介：吴承龙（1989—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。