基于吊桿張拉分析的系桿拱橋施工控制研究

李 悝

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)公司;2.長沙理工大學(xué))

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,系桿拱橋在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。隨著泵送混凝土技術(shù),應(yīng)力技術(shù)以及各種施工工藝的發(fā)展,系桿拱橋以其跨越能力大、承載力高、空間用率高、節(jié)省材料、造價(jià)低和外形流暢美觀等優(yōu)勢成為現(xiàn)代城市橋梁發(fā)展的方向。系桿拱橋中的吊桿一般可做成剛性吊桿或柔性吊桿兩種形式。在系桿拱橋吊桿張拉過程中,吊桿是分批張拉的。期間伴隨著結(jié)構(gòu)的變形、系桿支承體系的轉(zhuǎn)換及內(nèi)力的重分布。前期張拉的吊桿力直接影響后期吊桿的張拉力,而后期張拉的吊桿亦對先期施工的吊桿的內(nèi)力有著直接影響,從而最終影響全部吊桿張拉完畢后的力學(xué)性能。因此,對各吊桿進(jìn)行施工控制是必要的。其目的也即是在各吊桿張拉施工階段,確定該階段吊桿正確的張拉力,以保證在吊桿全部施工完畢后,使各吊桿的預(yù)張力達(dá)到或接近控制期望值,最終使系桿內(nèi)力滿足期望的內(nèi)力狀態(tài)。

1 工程簡介

以 L立交橋主橋改建工程為工程研究背景,是地區(qū)交通流量的主要疏散通道,也是通往市區(qū)和機(jī)場的重要道路。既有 L立交橋主橋 4#至 7#為預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu),引橋 0#至 4#、7#至 11#為 T型預(yù)應(yīng)力混凝土梁。全橋長 498m,寬 15.5m。新建L立交橋包括橋梁工程(主橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)形式,引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形式),主橋(1#～4#)采用三跨連續(xù)坦拱鋼構(gòu)形式(51+55+51m),拱高度分別為 7m、10.5m、7m。主橋全長為 157m,寬 28.8m;引橋(4#～11#)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu),引橋長度為 235.33m,寬度為24m。橋梁總面積為 10540m2。主橋橋面的車道布置為雙向六車道。主橋?yàn)閱蜗涠嗍忆撓淞?。主橋三跨拱的高度分別為 7m、10.5m、7m,矢跨比分別為 1∶7.3、1∶5.2、1∶7.3。拱肋中心線線形全部采用多次拋物線。拱肋截面采用矩形截面形式。吊桿:主橋吊桿采用不銹鋼拉桿,吊桿端均采用叉耳式構(gòu)造,吊桿中部設(shè)長度調(diào)節(jié)裝置。全橋共 81根吊桿,吊桿間距為 4m。吊桿桿體直徑除道路中心線處采用70mm外,其余均為 50mm,強(qiáng)度等級為 725N/mm2。

2 吊桿張拉方案確定

在拱橋施工過程中,如何對各吊桿進(jìn)行合理的張拉,直接關(guān)系到施工的質(zhì)量和安全,以及成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形。因此,確定合理的吊桿張拉力成為施工的重要環(huán)節(jié)。

2.1 有限元模型建立

主橋吊桿采用不銹鋼拉桿,吊桿端均采用叉耳式構(gòu)造,吊桿中部設(shè)長度調(diào)節(jié)裝置,在拱肋與吊桿的連接部位設(shè)置上吊耳,吊桿與主縱梁的連接部位設(shè)置下吊耳。

利用橋梁有限元分析軟件Midas/Civil建立了空間有限元分析模型,鋼箱梁和拱肋采用板單元,吊桿采用桁架單元,全橋共有節(jié)點(diǎn) 6097個(gè),板單元8573個(gè),其中桁架單元有 81個(gè),板單元有 8492個(gè)。橋面鋪裝荷載 1265N/m2,護(hù)欄荷載 6250N/m2拱裝飾荷載 850N/m2。

2.2 吊桿張拉方案

本橋?yàn)槿缣构颁摻Y(jié)構(gòu)拱橋,九片拱共 81根吊桿,張拉其中某一根吊桿對周圍吊桿的受力、拱肋及主梁的受力和線形均有影響,因此確定合理的吊桿張拉力,對確保施工安全,使結(jié)構(gòu)受力和成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求顯得尤為重要。

根據(jù)實(shí)際施工過程中的分組對稱張拉以及拱橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),對兩種張拉方案進(jìn)行比較研究,對各種張拉方案的吊桿張拉過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,求出了各施工階段吊桿的受力,控制截面的內(nèi)力及控制點(diǎn)的位移,對結(jié)果進(jìn)行分析,從而得出合理可行的吊桿張拉方案。

(1)方案一

方案一采用自拱頂向拱底張拉,X拱、Y拱、Z拱同時(shí)張拉,先張拉③ ～④跨,再張拉① ～②跨,最后張拉中間跨,最多同時(shí)張拉 6根吊桿。經(jīng)過倒拆得到的最大吊桿力為設(shè)計(jì)值的 2倍左右,且經(jīng)過正裝分析檢驗(yàn),基本達(dá)到閉合,這說明此方法應(yīng)用于本橋是可行的。由倒裝法得到的吊桿張拉力如圖 1所示。

圖 1 方案一的吊桿初始張拉力

由方案一得到的吊桿初始張拉力最小值為 302kN,最大值為 1123kN,不超過成橋吊桿力最大值的 2倍,由圖 1可看出初始張拉力比較均勻,沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

(2)方案二

方案二采用由拱頂向拱底對稱張拉,X拱、Y拱和Z拱的①～②跨和③～④跨同時(shí)對稱張拉,再張拉中間跨,最多時(shí)同時(shí)張拉 12根吊桿。

由方案二得到的成橋吊桿力最大值為 1127kN,各吊桿的初始張拉力如圖 2所示。

(3)方案三

本方案采用自拱底向拱頂張拉,先張拉③～④跨,再張拉①～②跨,最后張拉中間跨,X拱、Y拱、Z拱同時(shí)對稱張拉,最多時(shí)同時(shí)張拉 6根吊桿。由方案三得到的吊桿張拉力最大值為 1131kN,各吊桿的初始張拉力如圖 3所示。

圖 2 方案二的吊桿初始張拉力

圖 3 方案三得到的吊桿初始張拉力

2.3 張拉方案確定

吊桿張拉應(yīng)使吊桿最大張拉力盡可能小,一般為設(shè)計(jì)值的 2～3倍,各跨的吊桿力要盡可能均勻,所需吊桿力的均值盡可能小。為此,對各方案進(jìn)行了成橋倒拆,確定了每種方案各吊桿的初始張拉力,找出了每一種方案的最大吊桿張拉力,并計(jì)算了各拱吊桿張拉力的標(biāo)準(zhǔn)偏差,以觀察吊桿力的均勻性。具體計(jì)算結(jié)果列于表 1。

表 1 方案一和方案二中最大吊桿力及吊桿力的標(biāo)準(zhǔn)方差比較

標(biāo)準(zhǔn)偏差越大,說明各吊桿力與平均值的離散程度越大、吊桿力越不均勻,由上表可見,方案三中 X拱和 Y拱吊桿力的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小,Z拱吊桿力的標(biāo)準(zhǔn)偏差只比方案一略大,但是,方案三的最大吊桿力比方案一大,而且方案三各拱所需的平均吊桿力值也要比方案一大,具體比較見表 2。

經(jīng)過分析,確定方案一為最優(yōu)方案。

表 2 方案一和方案三的平均吊桿力值比較

同時(shí),通過對控制截面的應(yīng)力和位移進(jìn)行了有限元分析可知:鋼箱梁最大應(yīng)力發(fā)生在拆除橋面支架(即體系轉(zhuǎn)換)時(shí),為 11.9MPa;拱肋應(yīng)力隨施工進(jìn)程變化,施工到某跨時(shí),該跨拱肋控制截面的應(yīng)力就會(huì)增大,X拱頂面最大應(yīng)力發(fā)生第二施工階段、在 3～4跨拱頂附近,為 47.1MPa;Y拱最大應(yīng)力也是發(fā)生在第二施工階段、3～4跨的拱頂附近,大小為89.2MPa;主梁撓度和拱肋位移的變化趨勢類似應(yīng)力變化情況,吊桿張拉會(huì)引起主梁反向撓度,但數(shù)值不大,最大僅為7.2mm,Y拱水平位移最大發(fā)生在第三施工階段、3～4跨的拱頂附近,為4.7mm,而 Y拱和Z拱的豎向位移最大都發(fā)生在第三施工階段、3～4跨的拱頂附近,其值分別為-23.3mm和-16.3mm,各控制截面的應(yīng)力及位移均在規(guī)定的限值內(nèi),滿足要求。所以按方案一施工時(shí)要特別注意拆除支架時(shí)鋼箱梁上控制截面的應(yīng)力和位移測試,拱肋各控制截面在第二施工階段的應(yīng)力測試和第三施工階段的位移測試。

3 結(jié) 語

同時(shí)張拉兩個(gè)邊跨與先后張拉兩個(gè)邊跨的吊桿,在吊桿力均勻性上后者優(yōu)于前者,特別表現(xiàn)在對中間跨吊桿的張拉上;按拱分先后張拉與按跨分先后張拉相比,在吊桿力的均勻性方面,前者不如后者;為了減少吊桿張拉對已張拉吊桿的影響,采用間隔張拉法不但不能起到預(yù)定的效果,所需的最大吊桿力反而增加不少,且各拱吊桿力的均勻性很差;將X拱和Z拱同時(shí)張拉所得吊桿力與按跨先后張拉結(jié)果很接近,后者節(jié)省資源;增加同時(shí)張拉吊桿數(shù)可以節(jié)省工時(shí),但吊桿力的均勻性較差。

綜合比較,方案一無論是在吊桿張拉力均勻性方面,還是在各桿所需的張拉力上要優(yōu)于其他方案,所以確定方案一為最優(yōu)方案。

[1]日本道路協(xié)會(huì).張貴生譯.預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋施工手冊[M].北京:人民交通出版社,1988.

[2]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]中華人民共和國交通部(JTGD60-2004).公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]中華人民共和國交通部(JTGD62-2004).公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2004.