中承式钢管拱桥吊杆下料长度及纵横梁定位标高的计算分析

刘奇

（贵州顺康检测股份有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

钢管混凝土拱桥的吊杆为被动受力，其受力形式不同于斜拉桥的主动受力。吊杆下料长度（无应力长度）过短不仅会影响到纵横梁之间的高强螺栓连接安装，也会影响到纵横梁标高定位，进而影响到桥面线形。吊杆下料长度过长会导致吊杆报废，造成不必要的经济损失。文章对吊杆下料长度、纵横梁定位标高的影响因素进行了分析，并结合该桥施工监控的数据确定吊杆下料长度及纵横梁定位标高。

1 工程概况

该桥为中承式提篮钢管混凝土变截面桁架拱，主跨长度为1×180m。主拱圈采用由8 根D850mm 钢管通过腹杆、横联和风撑组成的提篮等宽度变高度空间桁架结构，管内灌注C55 自密实补偿收缩混凝土。拱脚主拱圈高度为5.5m，拱顶主拱圈高度为3.5m，单片拱肋宽度1.5m，横桥向2 片拱肋间的中心距在拱脚处为22.05m，2 片拱肋向内倾斜10 度。

该桥左右两侧各17 根吊杆，共34 根吊杆。左侧吊杆编号为左D1 至左D17，右侧吊杆编号为右D1 至右D17。纵伸缩缝处端横梁编号为H01，1#至3#立柱处的横梁编号为H01 至H04，吊杆处横梁编号为HL1 至HL9。

2 模型建立

该桥采用有限元软件Midas civil 2021 进行建模分析，主拱圈钢管、腹杆、横梁和风撑采用梁单元模拟，桥面板单元采用板单元模拟，两侧吊杆采用桁架单元来模拟，钢纵梁和钢横梁则通过横梁和纵梁相交形成梁格，采用梁单元模拟。全桥结构离散成1201 个节点、2541 个单元，其中梁单元2085个，桁架单元34个，板单元422 个[1]。

主拱圈与拱座相连边界采用固结连接，两岸桥墩上盆式橡胶支座采用一般连接，均释放RY。同时，根据设计图纸中每个支座允许变形方向释放DX 或DY。立柱上板式橡胶支座采用一般弹性连接，根据使用支座的规格计算其各方向的弹性模量[2]。

一期恒载：按结构各构件实际尺寸考虑；结构自重按实际尺寸计算。

二期恒载（桥面铺装、人行道、护栏等）：桥面铺装计入其容重，以板单元的形式加在纵横道梁上，人行道、护栏以均布荷载的形式加载在边梁上。

汽车荷载：公路-I级，根据设计文件本次荷载试验按照2 个车道、2 个人行道进行相关计算[3]。

综合上述有限元模型考虑方式，结构有限元模型如图1 所示：

图1 有限元模型

3 吊杆下料长度计算分析

3.1 吊杆伸长量的计算

3.1.1 吊杆几何长度的计算

先确定主拱圈拱肋上平联中心至横梁上缘的距离Lk，垫板上缘至拱肋上平联中心距离La，横梁上缘至销轴中心的距离Lb，吊杆几何长度为=Lk+La-Lb[4]。

3.1.2 确定吊杆力

吊杆力需要考虑自重、二期恒载、活载等组合作用下的合力。

3.1.3 确定吊杆截面面积

每根吊杆采用15 根φ15.2mm 高强钢绞线，每根钢绞线的面积为0.00014m2，换算成单根吊杆直径为51.71mm，截面面积为2100mm2。

3.1.4 吊杆伸长量计算

通过胡克定律计算吊杆伸长量，计算结果如表1所示。

表1 吊杆伸长量计算

3.2 吊杆下料长度影响因素分析

吊杆的下料长度确定与以下因素有关：第一，成桥后，吊杆在自重作用下的伸长量变形δa，需要计算吊杆力，再根据胡克定律计算变形量。第二，吊杆安装之前拱肋剩余预拱度δb。拱肋的制造线形：设计标高+施工预拱度+设计预拱度。拱肋吊装及钢管混凝土浇筑完毕后，由于施工工序及自重的影响，拱肋会发生一定的变形。吊杆安装之前需要测量每根吊杆处拱肋的高程值，与制造线形标高相比较得到的差值为该部分变形，设计预拱度与该部分变形相减，得到的剩余预拱度δb[5]。第三，拱肋吊装及钢管混凝土浇筑完毕后，后续构件，包括纵横梁、桥面板、二期铺装（沥青铺装层、人行道、防撞钢护栏）的安装，会引起拱肋再次下挠δc。第四，考虑0.5 倍的活载（汽车+人群）挠度+10 年钢管混凝土收缩徐变δd。第五，考虑吊杆梁端锚杯段、销轴端等尺寸δe。第六，吊杆在主拱圈顶部锚点与横梁锚点的几何长度L空。第七，下料长度L=L空-δa+δb-δc-δd+锚杯段δe-销轴端δe（见表2、表3）。

表2 左侧吊杆下料长度

表3 右侧吊杆下料长度

4 纵横梁标高计算分析

根据设计图纸、纵横梁节段拼装顺序施工组织方案，采用Midas civil 软件对纵横梁节段吊装顺序进行模拟，考虑铺装层厚度、横梁横坡、0.5 倍活载（汽车+人群）、后续构件（桥面板、二期铺装）对纵横梁位移的影响，确定现阶段纵横梁安装的定位标高[6]。

5 结论

第一，影响吊杆下料长度的因素较多，尤其是剩余预拱度这点很关键，需实测吊杆安装之前的拱轴线形标高，并与制造线形进行比较，了解吊杆安装之前的主拱圈下降了多少，从而得到剩余的设计预拱度。

第二，纵横梁吊装定位标高计算考虑铺装层厚度、横梁横坡、0.5 倍活载（汽车+人群）、后续构件（桥面板、二期铺装）对纵横梁位移的影响。

第三，通过对吊杆下料长度、纵横梁定位标高的影响因素进行分析并计算，为同类桥梁提供一定的借鉴意义。