廣元嘉陵江雙線特大橋吊桿張拉研究

桂成中，張永水

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

1 工程概況

下承式拱輔梁橋由于造型美觀，有利橋下通航等優點，是工程上常用的一種橋梁結構形式。新建蘭渝鐵路線廣元嘉陵江特大橋［1］屬于此種單箱單室預應力混凝土拱輔梁橋的結構形式，其跨徑為(82+172+82)m，在同類型鐵路橋梁中目前位居全國首位。該橋預應力混凝土連續梁中跨支座處截面高為10 m，中跨跨中處高為4.5 m;底板寬均為9.8 m，翼緣板除支點局部加寬外，寬均為13 m。鋼管混凝土拱肋計算跨度為172 m，設計矢高為34.4 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線;拱肋采用3.1 m高啞鈴形等截面。拱肋弦管及綴板采用Q345qD鋼，拱肋弦管拱腳處規格為Φ1100 mm×24 mm，拱腳之間弦管規格為Φ1100 mm×20 mm，弦管之間用δ=16 mm厚鋼綴板連接，綴板外邊距700 mm，拱肋弦管及綴板內填充C50微膨脹混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距11.2 m。橋順橋向和橫橋向共設19對吊桿，自中至邊吊桿順橋向間距為8 m，吊桿采用OVM.GJ15-31鋼絞線整體擠壓拉索。本橋按照先梁后拱，再張拉吊桿及施加二期恒載的順序施工。全橋梁拱布置如圖1。

圖1 廣元嘉陵江雙線特大橋梁、拱布置(單位:cm)Fig.1 Arch and girder layout of Guangyuan Jialing River double-line large-span bridge

2 吊桿張拉有限元研究方法

2.1 正裝迭代法

處理拱輔梁橋施工階段吊桿張拉問題的方法通常有正裝迭代法、無應力狀態法、倒裝法及影響矩陣法等。因正裝迭代法簡便可行，收斂快且效果好，能較好地反映出吊桿張拉過程中力學特性，故筆者采用此法進行吊桿張拉計算與研究。

正裝迭代法的基本思想可概括為:本次預設張拉力作用下的吊桿內力與設計目標索力比較，若其差值在規范規定誤差范圍外，將此差值與本次預設張拉力的疊加值作為下次張拉力，按此方法，進行若干次迭代，便可得到規范規定誤差范圍內的施工階段理論張拉力。由于吊桿目標索力已知［1］，筆者在差值迭代法基礎上對其進行改進，將吊桿目標索力作為假定索力，進行若干次迭代，得到吊桿理論索力［2-4］。其數學表達式為:

式中:K為規范規定允許誤差，一般取5%;［Ti］為第i次吊桿張拉完吊桿內力矩陣;［T0］為吊桿設計目標索力矩陣。

2.2 有限元計算模型介紹

本橋主要采用MIDAS/CIVIL進行施工階段模擬，計算模型以連續梁施工完畢及鋼管混凝土拱肋安裝結束作為初始狀態，按照一定順序及方法張拉吊桿及施加二期恒載，得到各階段計算數據。

全橋連續梁及鋼管混凝土拱肋采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。連續梁混凝土強度等級為C55，吊桿計算截面采用換算后有效截面，其fpk為1 860 MPa。吊桿對應的編號D1～D10如圖2，其中橫橋向兩榀拱肋上吊桿編號對應相同。

圖2 吊桿編號Fig.2 Boom number

3 吊桿張拉方案

3.1 吊桿張拉方法及順序

關于吊桿張拉順序，研究認為，對吊桿力的最終結果而言，與張拉的次序是無關的［5-6］。故在一定范圍內吊桿在不同張拉順序不同張拉方法下均可得到相同目標索力，筆者按此方法進行結構計算分析。

吊桿張拉方法受場地條件、現場設備數量及規格、技術人員配備、拱梁力學特性和經濟性等影響較大，故張拉方法繁多。結合目前采用的一次張拉法、二次張拉法及多次張拉法，分別計算研究各方法張拉效果。

一次張拉法，因其在經濟方面占有優勢，張同飛［7］將其作為吊桿張拉的首選方法，并建議泰州大橋實際吊桿張拉中采用此方法。為驗證其可行性，筆者計算中亦將該方法與其他方法相對比。因二期恒載施加時機對梁的應力位移影響較大，計算中按照二期恒載在吊桿張拉前、張拉后施加兩種方案考慮。兩種方案均采用8臺千斤頂沿橫橋向及順橋向對稱均衡同步張拉，其張拉順序按照吊桿D5、D10→D4、D9→D3、D8→D2、D7→D1、D6 進行。

二次張拉法分初始張拉及最終張拉兩個階段。計算中二期恒載在初張拉之后、最終張拉之前施加。張拉順序與一次張拉法相同，每根吊桿進行二次循環張拉。

多次張拉法經初始多次調整張拉、二期恒載及最終多次調整張拉3個階段。此方案采用4臺千斤頂按照吊桿 D1→D3→D5→D7→D9→D2→D4→D6→D8→D10的張拉順序多次調整張拉力直至設計目標索力。本橋設計施工圖中選擇多次張拉法，要求在加初張力后每次張拉調整值不大于100 kN。

3.2 吊桿張拉方案選取

文獻［2-7］重點研究吊桿張拉本身的力學特性變化情況，而對二期恒載施加時機對拱、梁的影響未做具體分析。而鐵路橋梁中二期恒載達到181 kN/m，其荷載所占比重較大，有必要對施加二期恒載在吊桿張拉前后的狀況進行前進和倒退分析。

擬采用4種方案:方案1為一次張拉法(二期恒載在吊桿張拉后施加);方案2為一次張拉法(二期恒載在吊桿張拉前施加);方案3為二次張拉法(二期恒載在初始張拉后最終張拉前施加);方案4為多次張拉法(二期恒載在初始張拉后最終張拉前施加)。

在進行4種方案比選時，效果評估準則為:每調一對索時，應盡量使整個結構的內力和撓度變化幅度最小，并在結構安全的范圍內［8］。

4 吊桿張拉效果分析

4.1 吊桿內力情況

對以上設計方案，通過若干次迭代，控制吊桿成橋索力與設計成橋索力偏差在控制范圍內，得到成橋計算索力。在正裝迭代過程中，對吊桿最大計算索力與吊桿設計成橋索力進行比較，根據吊桿內力變化幅度，判定方案合理性。拱肋1/4處及拱頂處吊桿張拉過程中最大內力比較見表1。

表1 D5及D10吊桿最大索力比較Table 1 Maximum internal force comparison of the boom D5 and D10 /kN

由表1可知，方案2中吊桿自身索力變化幅度最大，拱頂吊桿D10甚至達到目標索力的4倍，方案4與目標索力的變化幅度最小，方案1與方案3變化幅度相近。

4.2 吊桿應力情況

4種方案中吊桿張拉及二期恒載施加過程中，吊桿最大應力均發生在D5及D10吊桿處，其最大應力如表2。

表2 D5及D10吊桿最大應力Table 2 Maximum stress of the boom D5 and D10 /MPa

比較表1與表2，內力與應力對應存在相同線性關系，且吊桿最大應力為185.9 MPa，均在吊桿彈性變形應力范圍內。但方案2約為方案4的3倍，方案1、方案3均大于方案4。

4.3 拱、梁位移變化情況

由表1及表2可知，方案4吊桿內力應力變化幅度最小，故以方案4為參照方案。將其初始張拉前位移作為初始值，最終張拉完位移作為最終值，得到方案1～方案3位移變化參考范圍，以此判斷各方案張拉效果的優劣。各方案拱、梁位移變化趨勢見圖3。

圖3 拱頂、梁中跨跨中、梁邊跨跨中位移變化趨勢Fig.3 Displacement variation tendency of arch mid-span，the middle of girder mid-span and the middle of girder side-span

圖3(a)反映了各方案在不同工況拱頂位移變化幅度相近，而圖3(b)、(c)方案2的連續梁中跨跨中及邊跨跨中的位移變化幅度最大。

4.4 拱、梁彎矩剪力情況

表3、表4中拱肋內力選取拱頂、拱腳及1/4截面內力，連續梁內力選取主墩墩頂、中跨跨中和中跨1/8截面內力。

表3 拱肋及連續梁最大彎矩Table 3 Maximum bending moment of arch rib and girder/(kN·m)

表4 拱肋及連續梁最大剪力Table 4 Maximum shear force of arch rib and girder /kN

從表3、表4可看出，方案2拱肋、連續梁彎矩剪力均大于其它方案，其中拱頂及連續梁中跨跨中截面彎矩及剪力最大為方案4相同截面的3～5倍。方案1、方案3與方案4相比，其內力比值范圍為0.77 ～1.29。

4.5 千斤頂張拉力比較

吊桿達到目標索力時各方法所需千斤頂張拉力見圖4。

圖4 千斤頂張拉力比較Fig.4 Jack’s tension comparison

在吊桿張拉及二期恒載作用下，以上方案比較結果如下:

1)一次張拉法與二次張拉法及多次張拉法相比，雖然吊桿自身拉力與二者初張拉力變化趨勢相似，但其值明顯大于其他張拉法張拉力，且離散程度大，特別是二期恒載在吊桿張拉前施加的情況，其最大張拉力為2 597 kN，較二次張拉法的最大張拉力大2倍。較大張拉力對千斤頂的加載要求較高，且對施工人員的加載速率控制有較大難度。

2)二期恒載對梁的應力及位移影響較大。經計算，若一次張拉中二期恒載在吊桿張拉之前施加，引起梁的位移最大超過10 cm，且部分應力已經接近設計允許應力，不利于結構安全。故建議二期恒載一般安排在吊桿張拉之后施加。

3)采用二次張拉法，吊桿施加的初張拉力及最終張拉力、拱梁內力位移總體變化趨勢相對緩和。初始張拉階段吊桿自身內力變化趨勢類似一次、多次張拉法，且最終張拉階段的吊桿拉力與多次張拉法階段相近，張拉效果比較好。

4)多次張拉法雖然能達到比較好的效果，但實際施工繁瑣，設備吊裝周轉調整的次數較多，調索周期長，經濟成本較大，文獻［7］中亦指出吊桿張拉次數太多，最終的精度不一定好。

5 結語

1)吊桿張拉為拱輔梁橋中重要的一道工序，須經多種詳細方案比選，以選擇最優張拉方案。如不合理的二期恒載施加時機導致對吊桿自身，拱、梁的影響增大2～4倍;再如不合理的張拉順序會導致內力變化幅度非常大。

2)通過比選，二次張拉法較其他張拉方法有優勢，能較好地保證吊桿自身、拱及梁力學特性均衡變化。在施工工期緊張，且經濟性要求前提下，應優先考慮二次張拉法。

3)拱輔梁橋以其自身優勢躋身于各種橋型中，發展前景較大。

［1］ 喬鵬，劉忠平.DK588+471.4廣元嘉陵江雙向特大橋(82+172+82)預應力混凝土連續梁-拱組合橋:第4冊第1分冊［R］.成都:中國中鐵二院工程集團有限責任公司，2010:1-6，21-27.

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