钢箱系杆拱桥吊杆张拉顺序对结构受力的影响

宗纪兵,王 云

(1.中建八局投资发展公司,浙江 宁波 315400;2.山东鲁政工程项目管理咨询有限公司,山东 济南 261000)

0 引 言

目前,城市跨河修建的大跨径钢箱系杆拱桥普遍采用支架吊装施工,其特点是需经过漫长工期及复杂的结构体系转换过程才能成桥投入运营[1]。鉴于吊杆索施工过程中存在多种张拉顺序,不同张拉顺序结构成桥状态下的线形和内力会有所差异[2]。为了施工过程中能够有效控制桥梁结构线形和内力,有必要进行不同吊杆张拉顺序下的结构受力分析,以优化施工工序,确保大桥吊杆张拉过程中的结构安全[3]。以往国内外学者对大跨系杆拱桥的成桥线形和内力进行分析时关注点多集中在材料容重、材料弹性模量、吊杆索张拉力等参数,而较少关注吊杆张拉顺序对结构受力的影响[4]。通过对吊杆张拉顺序的调整,可有效改善施工过程中系梁和拱肋的受力情况,使其在成桥阶段达到合理受力状态[5]。以钢箱系杆拱桥为研究对象,分析其在不同吊杆张拉顺序下的结构受力行为,据此选择合适的吊杆张拉顺序,为此类桥梁建设提供参考。

1 桥梁概况

新建湄池大桥主桥上部采用下承式钢箱拱肋系杆拱桥,为刚性拱和刚性系梁,单跨简支体系如图1所示。拱轴线采用二次抛物线。主桥主要的结构部位包括:主拱肋、风撑、吊杆及钢格构梁等。拱肋系统包括拱肋、风撑构件,拱肋截面为矩形等截面,宽2.0 m,高2.56 m,腹板及顶底板厚度为24～36 mm,风撑截面尺寸均为1.5 m×1.969 m,板厚16 mm。主拱跨径184 m,内倾10°,拱圈平面内矢高为37.368 m,竖向投影高度为36.8 m,两侧拱肋间设5道矩形风撑连接,风撑纵向间距为27～31 m。拱桥吊杆间距为8.0 m,拱肋处设置吊杆张拉端。主梁系统由系梁(两个边箱梁)、小纵梁、中横梁、端横梁组成双主梁梁格体系。系梁为箱型梁,两个系梁横向净距为21.719 m、中心间距24.283 m,中间设3道工字型小纵梁;主桥顺桥向每隔4.0 m设置一道工字型横梁,梁端设箱型端横梁。混凝土预制桥面板标号为C40,现浇部分采用C50微膨胀混凝土,桥面板与中横梁、端横梁及小纵梁间通过剪力钉连接。吊杆采用填充型环氧涂层钢绞线,顺桥向间距8.0 m,每个吊点为单吊杆,全桥共44根吊杆。系杆索采用填充型环氧涂层钢绞线,每侧主纵梁内有6根系杆,间距50 cm,并在拱梁结合段设置锚固构造。

图1 主桥立面图(单位:cm)

主要施工工序如下:(1)桩基、承台、墩柱施工;(2)搭设系梁临时支架,吊装系梁;(3)搭设拱肋临时支架,吊装拱肋;(4)拆除拱肋临时支架;(5)系杆第一次张拉;(6)吊杆第一次张拉;(7)拆除系梁临时支架;(8)安装预制桥面板;(9)系杆二次张拉;(10)吊杆二次张拉;(11)浇筑桥面板湿接缝;(12)桥面系施工。

2 有限元模型建立

主桥有限元计算模型的拱肋、系梁、小纵梁、端横梁、中横梁、预制桥面板采用梁单元模拟,吊杆索采用仅受拉桁架单元模拟,系杆索采用体外预应力荷载模拟,主墩活动支座采用一般支承模拟,系梁临时支架和拱肋临时支架采用竖向只受压节点弹性支承模拟(刚度取无穷大),拱、梁固结采用弹性连接里的刚性连接模拟,吊杆张拉端锚点与拱肋连接采用弹性连接里的刚性连接模拟,吊杆锚固端锚点与系梁连接采用弹性连接里的刚性连接模拟,预制桥面板与系梁和横梁、小纵梁的连接采用弹性连接里的刚性连接模拟。计算模型严格按照设计提供的施工步骤图进行施工阶段划分,精细模拟结构从节段吊装到桥面铺装整个施工过程的结构体系转换过程。施工阶段考虑结构自重、吊杆索力、系杆索力、混凝土收缩徐变和桥面铺装等荷载。为简化计算,只对上部结构建模,不考虑温度荷载、基础不均匀沉降的影响,桥面板普通钢筋不参与结构受力。依据图纸施工梁段的划分,将全桥离散为857个梁单元、44个桁架单元、764个节点,有限元计算模型如图2所示。

图2 主桥midas Civil有限元计算模型

3 吊杆索不同张拉顺序下的分析结果

为更好地了解吊杆张拉顺序对结构成桥线形和内力的影响,假设吊杆由跨中向两端张拉、由两端向跨中张拉、由两端和跨中向1/4跨张拉,分3种工况分别进行模拟计算,得到3组不同吊杆张拉顺序下拱肋、系梁、小纵梁预拱度及成桥索力和成桥内力,对比分析结构变形及内力随吊杆张拉顺序改变的变化规律。

3.1 吊杆索不同张拉顺序对结构预拱度的影响

(1)吊杆索不同张拉顺序对拱肋预拱度的影响。

吊杆索不同张拉顺序下拱肋预拱度计算结果见图3,符号规定:“+”表示上拱,“-”表示下挠,图4、图5同理。

图3 吊杆索不同张拉顺序下拱肋预拱度值对比图

图4 吊杆索不同张拉顺序下系梁预拱度值对比图

图5 吊杆索不同张拉顺序下小纵梁预拱度值对比图

通过图3数据可知:当吊杆由跨中向两端张拉时,拱肋1/4跨位置预拱度最大,最大值为121 mm;当吊杆由两端向跨中张拉时,拱肋1/4跨位置预拱度最大,最大值为125 mm;当吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉时,拱肋1/4跨位置预拱度最大,最大值为123 mm。计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉下的拱肋预拱度相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

(2)吊杆索不同张拉顺序对系梁预拱度的影响。

吊杆索不同张拉顺序下系梁预拱度计算结果见图4。

通过图4数据可知:当吊杆由跨中向两端张拉时,系梁跨中位置预拱度为103 mm;当吊杆由两端向跨中张拉时,系梁跨中位置预拱度为118 mm;当吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉时,系梁跨中位置预拱度为105 mm。计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉下的系梁预拱度相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

(3)吊杆索不同张拉顺序对小纵梁预拱度的影响。

吊杆索不同张拉顺序下小纵梁预拱度计算结果见图5。

通过图5数据可知:当吊杆由跨中向两端张拉时,小纵梁跨中位置预拱度为120 mm;当吊杆由两端向跨中张拉时,小纵梁跨中位置预拱度为135 mm;当吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉时,小纵梁跨中位置预拱度为123 mm。计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉下的小纵梁预拱度相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

3.2 吊杆索不同张拉顺序对结构内力的影响

(1)吊杆索不同张拉顺序对拱肋内力的影响。

吊杆索不同张拉顺序下拱肋内力计算结果见表1,符号规定:“+”表示拉应力,“-”表示压应力,表2、表3同理。

表1 吊杆索不同张拉顺序下拱肋应力值对比表

表2 吊杆索不同张拉顺序下系梁应力值对比表

表3 吊杆索不同张拉顺序下小纵梁应力值对比表

计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉下的拱肋内力相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

(2)吊杆索不同张拉顺序对系梁内力的影响。

吊杆索不同张拉顺序下系梁内力计算结果见表2。

计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉下的系梁内力相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

(3)吊杆索不同张拉顺序对小纵梁内力的影响。

吊杆索不同张拉顺序下小纵梁内力计算结果见表3。

计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉下的小纵梁内力相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

3.3 吊杆索不同张拉顺序对成桥索力的影响

吊杆索不同张拉顺序下成桥索力计算结果见表4,由于结构受力对称性,仅列出1/4吊杆成桥索力数据。

表4 吊杆索不同张拉顺序下成桥索力对比表

由表4可知,吊杆由跨中向两端张拉时,梁端吊杆索的成桥索力值为938.1 kN,跨中吊杆索的成桥索力值为1 313.6 kN;吊杆由两端向跨中张拉时,梁端吊杆索的成桥索力值为908.6 kN,跨中成桥吊杆索的索力值为1 325.8 kN;吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉时,梁端吊杆索的成桥索力值为860.6 kN,跨中吊杆索的成桥索力值为1 406.5 kN。计算结果表明,吊杆由跨中向两端张拉下的成桥索力相比于另外两种吊杆张拉顺序更均匀合理,可认为吊杆由跨中向两端张拉为最优张拉方案。

4 结 论

以新建湄池大桥主桥为工程背景,从吊杆张拉顺序对结构预拱度设置、成桥索力和成桥内力的影响进行对比分析,得出以下结论。

(1)吊杆由跨中向两端张拉下的拱肋、系梁、小纵梁预拱度相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

(2)吊杆由跨中向两端张拉下的拱肋、系梁、小纵梁成桥内力相比于另外两种吊杆张拉顺序更小。

(3)吊杆由跨中向两端张拉下的成桥索力相比于另外两种吊杆张拉顺序更均匀合理。

(4)从结构受力角度综合对比分析,可认为吊杆由跨中向两端张拉为最优张拉方案。