鋼管混凝土系桿拱橋吊桿施工張拉力計(jì)算的研究

劉波

【摘要】吊桿張拉是在梁拱組合體系橋的施工過程中體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序?？墒堑鯒U先后順序的張拉必然會(huì)相互之間產(chǎn)生影響。為了減少后期對索力進(jìn)行調(diào)整的工作，我們使用迭代計(jì)算的方法，盡量在吊桿的張拉過程中一次達(dá)到吊桿張拉控制力，本文以一座梁拱組合體系橋?yàn)槔\(yùn)用該算法，計(jì)算出張拉力的理論值，顯示了該方法能取得較好的效果。

【關(guān)鍵字】系桿拱橋；吊桿施工張拉力；迭代法

1、前言

梁拱組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是，外部為靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)，拱肋是其主要的承重構(gòu)件，此外還包括加勁縱梁，以及它和橫梁組成的平面框架，拱肋和平面框架結(jié)構(gòu)通過吊桿的聯(lián)系來共同受力。該類型的橋常用跨徑為40m-120m。梁拱組合式橋梁主要形式包括：簡支梁拱組合式、單懸臂梁拱組合式以及連續(xù)梁拱組合式三個(gè)大類。連續(xù)梁拱組合式橋的跨越能力為最大，且形式多種多樣。

在施工過程中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵步驟就是進(jìn)行吊桿的張拉。對于整個(gè)橋梁來說，吊桿力是非常重要的。但由于張拉順序的影響，后張拉的吊桿會(huì)影響先張拉的吊桿，使得最終的張拉力與張拉控制力不符，要達(dá)到張拉控制力的值使得我們必須進(jìn)行調(diào)索工作，為了避免后期的調(diào)索工作，我們通過一次張拉達(dá)到張拉控制力。

本文通過理論分析并結(jié)合實(shí)例，驗(yàn)證了吊桿施工張拉力一種可行的迭代計(jì)算方法。

2、工程概況

某橋梁全長68米，橋型為簡支梁拱組合體系橋。橋面寬度為26米，機(jī)動(dòng)車道使用雙面坡，坡向橋梁的兩側(cè)，坡度為2%，人行道坡為向道路中心線，坡度是1.5%。上部結(jié)構(gòu)使用的是剛性拱，柔性吊桿。該橋計(jì)算跨徑為67.6m，采用二次拋物線為拱軸線，矢高為16.9m，矢跨比為1/4。拱肋采用的是圓端型鋼管混凝土拱，鋼管拱肋的寬度為160cm，高度為140cm，鋼管以及腹板壁的厚度為1.8cm，內(nèi)部填充的是C50微膨脹混凝土。主梁采用的是箱型斷面，吊桿處高度為188cm，底寬為300cm，腹壁厚100cm。吊桿的間距為4.6m，拱肋設(shè)置吊桿一共13根。吊桿采用的是127?7鍍鋅的高強(qiáng)鋼絲索，吊桿位于橋面以上2m部分外包不銹鋼套管。橋面的2%橫坡由橫梁的高度變化來進(jìn)行調(diào)整；橋面板采用的是整體式實(shí)心板，厚度為25cm。拱肋橫向聯(lián)系采用由鋼管焊接而成的桁架風(fēng)撐，。主梁和橫梁是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橋臺(tái)采用實(shí)體式結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)基礎(chǔ)為直徑1.2米鉆孔灌注樁，樁端持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，入巖深度應(yīng)不小于1米。

3、迭代法計(jì)算吊桿施工張拉力

3.1 迭代法計(jì)算原理

吊桿施工張拉力的計(jì)算方法有很多種，在此我們采用迭代法。迭代法簡單直觀，既可用于簡單結(jié)構(gòu)，也適用于大跨度橋梁的幾何非線性計(jì)算，并且容易借助計(jì)算機(jī)采用有限元軟件來實(shí)現(xiàn)。迭代法對于不復(fù)雜結(jié)構(gòu)的收斂速度較快。

正裝法的基本思路是：采用正序分析實(shí)際結(jié)構(gòu)的施工過程，就是按照施工方案，依次施工相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)添加上相應(yīng)的荷載，以模擬施工過程中，結(jié)構(gòu)受到荷載時(shí)一系列的應(yīng)力狀態(tài)。由于鋼管混凝土系桿拱橋是多次超靜定結(jié)構(gòu)，采用正裝算法一般需要進(jìn)行多次迭代來求出索力，故應(yīng)用正裝法來計(jì)算索力地基本思路為： 以張拉結(jié)束后各吊桿的張拉控制力值為目標(biāo)值，進(jìn)行一輪正裝計(jì)算，得到一個(gè)張拉完成時(shí)的索力值，將該索力值與目標(biāo)索力值進(jìn)行比較，求出兩次差值，得到新一輪的安裝索力，再進(jìn)行新一輪的計(jì)算，直至逼近目標(biāo)值為止。

以吊桿張拉控制力為初始值，進(jìn)行模型分析計(jì)算，得到一個(gè)張拉完成的值，以初始值和完成后的值的差值為修正量，進(jìn)行多次迭代計(jì)算，最終得到實(shí)際張拉值。為了使最終計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可以將差值的值取的足夠的小，這樣得到的計(jì)算結(jié)果就能保證吊桿張拉完成的索力值與設(shè)計(jì)張拉力值基本一致。

3.2 吊桿的施工張拉力計(jì)算

以該鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)槔褂肕idas Civil對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。采用上述的計(jì)算方法來計(jì)算吊桿施工張拉力。

該橋采用的是先梁后拱的施工方法，具體施工步驟如下：搭設(shè)施工用滿堂支架→支架上現(xiàn)澆主梁以及拱肋鋼管預(yù)埋段→第一批次縱向預(yù)應(yīng)力鋼束以及橫向預(yù)應(yīng)力束張拉→拱肋、橫撐的吊裝施工→第二批次縱向預(yù)應(yīng)力束張拉→灌注鋼管內(nèi)的混凝土→張拉吊桿（分兩批次張拉到位）→張拉剩余的主梁預(yù)應(yīng)力筋→拆除支架→施工橋面鋪裝。

吊桿的張拉順序：4#→5#→6#→7#→3#→2#→1#，前后兩次張拉吊桿順序相同，吊桿編號如圖1所示。

用迭代算法來求解吊桿施工張拉力值。首先解算出第一次張拉吊桿的施工張拉力值，然后解算出主梁預(yù)應(yīng)力束張拉完成后，受到其影響后應(yīng)有的二次吊桿張拉力值。其計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

表1和表2的計(jì)算結(jié)果表明，已張拉的吊桿的吊桿力受到后張拉的的吊桿的影響已經(jīng)較大，迭代算法是以張拉控制力值為目標(biāo)值來進(jìn)行迭代，可以求得滿足精度的施工張拉力，使用迭代算法計(jì)算出來的張拉力進(jìn)行張拉，可以避免后期繁瑣的調(diào)索工作，使吊桿力一次達(dá)到張拉控制力的要求

結(jié) 論

系桿拱橋施工過程復(fù)雜，期間伴隨著結(jié)構(gòu)體系以及邊界條件的變化，吊桿張拉是對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)換的重要過程。為了減少后期索力調(diào)整工作，通過一次張拉使索力達(dá)到張拉控制力的值，本文采用迭代算法對工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證，得到了比較理想的效果，大大減少了張拉吊桿的工作量。

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