先梁后拱施工的系桿拱橋吊桿張拉方案研究

張同飛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

昌九城際鐵路永修剛架系桿拱橋跨度為(32+128+32)m,拱墩結合、拱梁分離體系,系鐵路橋梁首次采用,施工方法為先梁后拱法。該橋共設14對吊桿(上下游同一位置為1對,每個吊點位置有2根吊桿,間距為0.5 m),吊桿縱向間距為8 m,自左到右順次編號為1～14號,其他參數見文獻[1]。其設計主要施工工序為：(1)在支架上分段現澆預應力混凝土連續梁,并張拉主梁預應力；(2)拱架上拼裝鋼箱拱,卸拱架,張拉部分系桿；(3)從拱腳到拱頂逐對、對稱安裝并初張拉吊桿,張拉部分系桿；(4)拆除主梁支架,施加二期恒載,張拉部分系桿；(5)從拱頂到拱腳逐對、對稱調整吊桿力；(6)張拉剩余系桿。永修剛架系桿拱橋總體布置如圖1所示。

圖1 永修剛架系桿拱橋總體布置(單位：cm)

1 吊桿張拉方案確定的理論影響因素

1.1 吊桿張拉關鍵問題

對于先梁后拱施工工藝的該類橋梁,吊桿張拉方案的確定涉及到3個關鍵問題。

第一,吊桿張拉次數的確定,常用的有一次張拉法、初張拉和調整張拉的兩次張拉法以及多次調整張拉法。

第二,吊桿張拉各階段對應的張拉時機選擇,即吊桿的初張拉或調整張拉安排在哪個施工階段進行。

第三,吊桿張拉各階段對應的張拉順序選擇,即在吊桿的初張拉或調整張拉時采用何種順序進行,是否需要對稱張拉。

1.2 吊桿張拉次數的選擇

常用的吊桿張拉方法有一次張拉法、初張拉和調整張拉的兩次張拉法以及多次調整張拉法。采用一次張拉到位,可達到簡化張拉工序和工作量的目的,筆者認為它應該是吊桿張拉的首選方法。文獻[4]以泰州大橋為例,對剛性吊桿一次張拉技術進行了研究,認為其是可行的,且該技術可以大大方便施工,縮短工期。文獻[5]更是通過模型試驗證實,對于泰州大橋,吊桿采用一次性張拉到位的方案是可行的,并且是安全可靠的。

相對于一次張拉到位法,二次張拉法可提高張拉精度,有利于誤差的調整和減小。對于先梁后拱施工工藝,影響吊桿張拉次數的另一個關鍵因素是主梁和主拱的受力,當采用一次張拉到位工藝時,有可能張拉過程中的個別吊桿力過大,或導致主梁或主拱部分節段受力不合理,此時,就必須采用二次張拉工藝或多次張拉法。需要指出的是,考慮到施工誤差、結構非線性、工藝和設備精度等因素的影響,工程經驗表明,系桿拱橋的吊桿張拉調整次數太多,最終的精度不一定好。

1.3 吊桿張拉時機的選擇

基于減小施工難度和工作量考慮,背景工程可考慮的吊桿張拉次數有設計的兩次張拉和一次張拉(若由于施工誤差太大而導致成橋后需要進行的調整張拉,不計入張拉批次范圍內)。

對于兩次張拉法,兩次張拉的目的是不同的[2],初張拉是為了形成“拱肋-吊桿-主梁”的整體受力體系,使吊桿承擔部分主梁自重,改善主梁的受力特性,方便主梁支架的拆除；調整張拉為最終張拉,使成橋后的結構內力狀態和線形滿足設計要求。由于兩次張拉的目的不同,設計對張拉提出的要求往往也不同,初張拉時,按設計規定的張拉力張拉即可；而在調整張拉時,為了使吊桿力和線形滿足設計要求,往往需要根據實際情況由監控計算確定吊桿的張拉順序和張拉力。

對于本橋設計采用的兩次張拉法,初張拉安排在主拱支架拆除后、主梁支架拆除前進行,在主拱落架后馬上形成“拱肋-吊桿-主梁”的整體受力體系,對于結構而言是合理的。調整張拉時機的選擇,一般考慮以下因素[3]：一方面,要使吊桿調整張拉后的工序愈少愈好,使施工后最終吊桿力與設計要求值的偏差最小,若吊桿調整張拉工序安排過早,后續工序較多,后續施工的施工誤差及收縮徐變等因素影響會引起較大的吊桿力誤差；另一方面,要兼顧結構受力和線形方面的要求,即吊桿調整張拉的安排應保證結構安全和線形變化合理。對于某些系桿拱橋,如主梁為縱橫梁結構,則主梁整體斷面尚未形成,剛度還較小時,吊桿調整張拉時系梁撓度變化稍大些,調索更能滿足撓度方面的要求。

本文對一次張拉法也進行了分析,由于本橋采用先梁后拱施工工藝,主梁在支架上施工成型,吊桿未張拉前,主梁支架不可拆除,因此對于一次張拉法,其張拉時機與二次張拉法的初張拉一致,即主拱支架拆除后、主梁支架拆除前。

1.4 張拉順序的選擇

對吊桿力的最終結果而言,與吊桿張拉的次序是無關的[3,6]。即不論先張拉哪根吊桿、后張拉哪根吊桿,待所有吊桿都張拉完畢,將得到同樣的結果。

然而,在實施張拉過程中,需選定次序。在驗算每張拉一根吊桿時,不但要求結構能安全地承受內力變化,而且要盡量使結構內力和撓度變化幅度最小。這需要精心設計計算。文獻[7]中提到,泰州大橋總計有5 040種不同的張拉順序,其中最大張拉力與設計值之比小于4倍的有720種,大于5倍的有3 600種,大于7倍有720種。可見,不同的張拉順序,吊桿的最大張拉力存在很大差別。文獻[8]千斤頂張拉力的推導過程也證明,吊桿千斤頂張拉力與調整順序有關。一般地講,吊桿調整時要均勻對稱,選定主拱上撓度最大值處的吊桿作為調整對象,這將會得到最合理的吊桿調整次序。

2 吊桿張拉方案確定的現場影響因素

2.1 吊桿張拉端選擇與影響因素

吊桿張拉端即可選擇在主梁上,也可選擇在主拱上,本橋主拱為鋼箱梁,吊桿錨頭設置在鋼箱梁內,人員和設備都需要從主拱合龍段進人孔進出,施工難度大,施工環境惡劣,安全隱患大,因此,選擇在主梁端為張拉段,為方便操作,張拉時機宜選擇在主梁跨河支架拆除前進行,如此,張拉作業可方便的在支架平臺上實施。

2.2 張拉設備與人員配備因素

由于每個理論吊點處實際有2根吊桿,1對吊桿張拉(上、下游側構成1對),需要4臺千斤頂同時工作。對稱張拉包括橫向對稱及縱向對稱共4個位置同步張拉,需要8臺千斤頂同時工作。如此類推。

2.3 同步控制問題

在保證設備配置和人員配備到位的情況下,如何在工藝上保證各千斤頂同步,如何將非同步控制在的容許偏差值以內,如何評判已經張拉到位等問題較難解決。

2.4 設備調動問題

施工現場應盡量避免設備的頻繁調動。

3 吊桿張拉的幾種方案

本橋設計施工圖中的吊桿張拉方案如下所述。

(1)張拉時機

采用二次張拉法,即吊桿的張拉分為初張拉和調整張拉(終張拉)兩個張拉階段。初張拉階段安排在主拱支架拆除后、主梁支架拆除前進行；調整張拉階段安排在施加二期恒載之后進行。

(2)張拉順序

在初張拉階段,要求從拱腳到拱頂逐對對稱張拉各吊桿；在調整張拉階段,要求從拱頂到拱腳逐對對稱張拉各吊桿,其中的對稱要求包括縱向與橫向對稱。

為了探索較好的張拉方案,在設計方案外,考慮了另外3種較為合理的吊桿張拉方案。分別描述為方案2、3和4。各方案的特點見表1,表中逐對對稱指縱橫向均對稱,依次對稱為橫向對稱,縱向不對稱。

表1 吊桿張拉方案對比

4 吊桿張拉方案可行性分析依據

4.1 吊桿千斤頂張拉力

各張拉方案的關鍵就是通過成橋吊桿力來推導吊桿張拉階段的吊桿千斤頂張拉力。

吊桿千斤頂張拉力的計算方法,筆者在參考文獻[8]中有詳細的推導過程。對于方案2和方案3,初張拉階段直接采用設計提供的吊桿張拉力即可,調整張拉階段按照參考文獻[8]中影響矩陣法和倒推法相結合的方法,可以方便地計算出其千斤頂張拉力。

方案4張拉吊桿時,主梁支架還未拆除。吊桿張拉之前,主梁支架全部受壓,隨著吊桿的逐步張拉,主梁會逐步脫離支架,結構體系不斷變化,吊桿力影響矩陣亦不斷變化。因此,無法采用參考文獻[8]中影響矩陣法和倒推法相結合的方法。方案4采用倒拆正裝法計算各吊桿的千斤頂張拉力,由于倒拆法無法考慮混凝土的收縮徐變影響,因此會有誤差,此項誤差通過迭代法,即反復進行倒拆正裝來予以減小。

吊桿張拉過程中,需確保吊桿千斤頂張拉力在其容許張拉力范圍內。根據相關經驗,本橋在施工階段控制最大吊桿張拉力安全系數取值為1.8。吊桿采用φ7 mm低松弛鍍鋅鋼絲,抗拉標準強度fpk=1 670 MPa。1號、14號吊桿(兩側4根)的面積為18 628 mm2,其施工階段吊桿力容許值為17 283 kN；2號、13號吊桿(兩側4根)的面積為13 084 mm2,其施工階段吊桿力容許值為12 139 kN；3號～12號吊桿(兩側4根)的面積為8 468 mm2,其施工階段吊桿力容許值為7 856 kN。

4.2 結構安全

確保張拉方案在各關鍵施工階段及成橋階段,應力水平滿足規范要求。按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005),主梁和主墩的應力允許值見表2。按照《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)規定,主拱Q345鋼的容許應力為[σw]=210 MPa。

表2 混凝土材料應力容許值指標 MPa

4.3 成橋狀態

確保張拉方案的成橋內力、線形狀態與設計方案基本接近。

成橋內力選取結構關鍵截面：①主梁左邊跨L/2截面，②主梁中跨左L/4截面，③主梁中跨L/2，④主梁中跨右L/4截面，⑤主梁右邊跨L/2截面，⑥主拱左L/4截面，⑦主拱L/2截面，⑧主拱右L/4截面，⑨左側主墩墩底截面，⑩右側主墩墩底截面。

成橋線形選取主梁關鍵截面,即①主梁左邊跨L/2截面，②主梁中跨左L/4截面，③主梁中跨L/2，④主梁中跨右L/4截面，⑤主梁右邊跨L/2截面。

吊桿張拉方案可行性分析采用橋梁博士軟件,建立平面模型,其中吊桿為桁架單元,其余為梁單元。計算模型見圖2。

圖2 橋梁博士軟件建立的模型

5 吊桿張拉方案可行性分析

5.1 吊桿千斤頂張拉力驗算

根據上節的計算方法,得到的方案2～方案4吊桿千斤頂張拉力見表3,表中數據為上下游兩側4根吊桿力之和。其中,表中數據,對于方案2和方案3為調整張拉階段,各吊桿的千斤頂張拉力,對于方案4為初張拉階段,各吊桿的千斤頂張拉力。

通過表3可知：方案2～方案4吊桿千斤頂張拉力均小于其容許值,吊桿張拉過程中,吊桿受力是安全的。

表3 方案2～方案4吊桿力千斤頂張拉力 kN

5.2 結構應力驗算

計算結果表明：結構在方案2～方案4主要施工階段和成橋階段,主梁、主墩和主拱結構應力良好,完全滿足規范要求,具有可靠的安全性。主梁、主墩、主拱關鍵截面最大壓應力和拉應力見表4。主拱為鋼結構,所以沒有區分拉應力和壓應力。

5.3 成橋狀態驗算

成橋階段,方案2～方案4關鍵截面內力狀態與設計方案的對比結果見表5、表6；線形狀態對比結果見表7。

表4 方案2～方案4最大拉壓應力 MPa

表5 方案2～方案4成橋階段軸力狀態與設計方案對比 kN

通過表5、表6和表7可知,方案2～方案4成橋階段關鍵截面的內力和變形狀態與設計方案非常接近,其中：

(1)軸力最大絕對差值百分比方案2不超過0.05%；方案3不超過0.08%；方案4不超過0.11%；

表6 方案2～方案4成橋階段彎矩狀態與設計方案對比 kN·m

表7 方案2～方案4成橋階段線形與設計方案對比 m

(2)主拱和主墩彎矩最大絕對差值百分比方案2不超過2.33%；方案3不超過2.85%；方案4不超過8.71%；

(3)主梁的彎矩百分比較大,這主要是主梁彎矩值較低導致的,以4號截面為例,方案2絕對差值百分比達到了54.41%,但其絕對差值僅有9 kN·m；方案3絕對差值百分比達到了1 048.47%,但其絕對差值僅有179 kN·m；方案4絕對差值百分比達到了793.78%,但其絕對差值僅有135 kN·m。

(4)成橋線形的絕對差值方案2不超過0.001 m；方案3不超過0.002 m；方案4不超過0.002 m。

5.4 分析結果

(1)本文涉及到的4種吊桿張拉方案(1套設計方案,3套本文提出方案)均是可行的,無論在施工階段還是成橋階段,結構的力學指標均滿足規范要求。

(2)計算證明,只要保證最終的成橋吊桿力與設計吊桿力相同,則無論采用何種張拉方案,結構的內力和線形狀態均與設計方案非常接近。

6 吊桿張拉方案的確定

方案4采用一次張拉方案,該方案可達到簡化張拉工序和工作量、縮短工期的目的,筆者認為它是本橋吊桿張拉的首選方案,并予以推薦。

本橋在確定吊桿張拉方案的專家評審會上,設計單位堅持采用的二次張拉方案,主要理由是采用二次

張拉,理論上可較好地修正后期施工階段(如二期恒載等)帶來的誤差。

實施過程中,施工單位根據施工進度等現場的實際情況,進行了適時的調整,最終實施的吊桿張拉方案為：采用兩次張拉法,分為初張拉階段和調整張拉階段,初張拉階段安排在主拱落架、主梁支架拆除前進行；調整張拉階段安排在部分二期恒載施加之前(調整張拉之前,除道砟軌道外的其余二期恒載均已施加)進行。張拉順序上,初張拉階段從拱腳到拱頂逐對、對稱張拉；調整張拉階段從拱頂到拱腳逐對、對稱張拉。

最終實施的吊桿張拉方案介于設計方案和本文提到的方案3之間,根據分析過程,該方案可以確定在理論上是可行的。

7 結語

從張拉次數、張拉時機、張拉順序3個方面對系桿拱橋張拉方案的確定進行了分析,同時對影響張拉方案的現場因素進行了分析,從而確保張拉方案計算理論的可靠性和現場施工的可操作性。通過分析,提出的3個吊桿張拉方案均為可行的,同時證明,只要最終的成橋吊桿力與設計吊桿力相同,則無論采用何種張拉方案,結構的內力和線形狀態均與設計方案非常接近。

本文的分析過程不僅適用于系桿拱橋吊桿張拉方案的確定,同樣適用于斜拉橋的斜拉索張拉方案的確定。

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