系桿拱橋初始索力確定

2016-04-28 03:24:43趙國強

四川建筑 2016年1期

趙國強

(中國市政工程中南設計研究總院安徽分院，安徽安慶 246002)

系桿拱橋初始索力確定

趙國強

(中國市政工程中南設計研究總院安徽分院，安徽安慶 246002)

【摘要】文章針對潛江河大橋施工過程中初始索力確定的問題，通過對多種初始索力計算方法進行對比分析，找出了一種簡單、適用、高效的初始索力計算方法。為同類橋梁的施工控制提供參考。

【關鍵詞】系桿拱；空間有限元；成橋索力優化；初始索力優化；無應力狀態法；未閉合配合力

系桿拱橋，結構輕盈、造型豐富、形態優美，近年來在我國得到迅速的發展。特別是伴隨著設計方法和施工工藝的逐步完善，使得這種橋梁結構型式得到進一步的推廣。

1工程背景

安慶市潛江河大橋，采用1×60 m下承式鋼管拱結構、預應力混凝土橋面系，屬于剛梁剛拱式系桿拱橋，采用了先梁后拱法施工。本文結合該橋施工過程控制，對多種初始索力確定方法進行對比分析并加以總結，歸納出一種簡便、實用、容易為工程設計人員掌握的初始索力計算方法。

2成橋及初始索力計算

使用Midas Civil有限元軟件，建立本橋空間桿系模型，拱肋、端橫梁、中橫梁、系梁(加勁縱梁)、風撐等均由梁單元模擬；吊桿由桁架單元模擬，吊桿總計13對，根據對稱原則，編號劃分為7組；端橫梁、中橫梁及加勁縱梁均布布置預應力鋼束。總體結構模型見圖1。

圖1　潛江河大橋空間有限元模型

2.1初始平衡狀態分析(成橋索力)

系桿拱橋由拱、系梁、吊桿三大部分組成了超靜定結構，常用的成橋索力優化方法有零位移法、剛性支承連續梁法、影響矩陣法、彎矩勢能最低原理等方法。這里以該橋為原型，采用Midas Civil有限元建立一次成橋的計算模型，應用影響矩陣的方法，在滿足拱肋、系梁內力較小的約束條件下，優化出一組成橋索力，此索力定義為一次成橋安裝時體內力，而非成橋后吊桿內力。成橋安裝時體內力見表1，成橋狀態結構彎矩見圖2。

表1　成橋索力表　kN

圖2　成橋狀態結構彎矩注：圖中包含自重、二期、護欄、預應力、吊桿初拉力荷載等。

2.2初始索力確定方法介紹

2.2.1倒拆+正裝

倒拆計算，就是按照與正裝施工過程剛好相反的施工順序，不能考慮混凝土的時間依存性效應，建立施工過程。計算后，讀取預拆拉索軸力值，作為一組施工初始索力。然后需要建立正裝施工過程，把倒拆計算的初始索力以體外力(千斤頂讀數)的形式添加到對應的施工過程中去。如果不考慮與結構的形成時間和形成的應力歷史有關的參數，如混凝土橋梁的收縮和徐變及結構非線性等影響時，倒拆與正裝模型計算結果完全閉合。

實際上，混凝土結構及鋼管混凝土結構等均受時間依存性效應影響。考慮這種效應，倒拆計算在理論上是困難的，其原因是倒退計算過程并非結構的真實經歷過程，分析計算中實際上利用了結構力學的疊加原理，而當結構內力和位移與結構加載的時間和應力歷史有關時，疊加原理不再適用。

對于中小跨徑鋼管混凝土系桿拱橋，本法是常用的基本方法，考慮混凝土收縮徐變等因素后，誤差也一般較小。在誤差超出設計要求的情況下，可以通到正裝迭代加以解決。

2.2.2無應力狀態法施工控制

無應力狀態法是指一個橋梁結構，當不考慮與結構的形成時間和形成的應力歷史有關的參數，如混凝土橋梁的收縮和徐變及結構非線性等影響時，則無論實際結構的形成過程如何，只要最終結構的成橋狀態結構構件單元的無應力長度、無應力曲率、外荷載和支承邊界的位置一定，則最終結構的內力狀態和位移狀態與結構的形成過程無關。

以無應力索長來控制施工，無論先張拉哪一根，結果都是一樣的，與張拉順序無關，操作簡單。雖然不同的張拉順序和施工臨時荷載都對應不同的施工索力，但是拔出量與張拉順序無關，是一定的。

如果以索力控制，那么則張拉順序必須明確，也就是說張拉順序很重要，如果順序錯了結果就是錯誤的。實際施工中必須嚴格按照擬定的施工順序施工，并且保證控制施工荷載與計算模型相一致。否則只要順序錯一點，或中間的某索索力張拉或者調整錯誤，都會影響其他拉索的張拉或者調整的正確性。

2.2.3未閉合配合力

考慮未閉合配合力的正裝模型，本質上也是無應力狀態法的一種體現。在不考慮收縮徐變及非線性影響時，通過計算目標成橋狀態，在保證主梁分段施工時沿著初始切向方向激活，并保證支座位置不變的情況下，使用一次成橋目標狀態拉索體內力對應的無應力長度，來建立中間施工過程與橋梁最終成橋目標狀態之間的聯系，直接解算滿足成橋狀態要求的中間施工過程拉索到位張拉的索力，并能實現成橋目標狀態的自動回歸，故不必再另外進行正裝計算。該方法與倒拆+正裝相比，減小了一半的工作量。

本方法在考慮收縮徐變的情況下，PostCS結果與成橋最優狀態無法閉合。如果誤差超過設計要求，就必須進行調整。

2.2.4考慮混凝土收縮徐變及結構非線性

考慮混凝土收縮徐變及結構非線性的情況下，使用倒拆或者未閉合配合力模型計算得出施工索力，進行正裝施工過程模擬時，最終成橋狀態與一次落架成橋狀態是不閉合的，故無法直接應用。

采用以下步驟，來考慮混凝土收縮徐變及結構非線性影響：

(1)未閉合配合力模型是考慮了施工時間歷程的正裝模型，可以考慮材料的時間依存性，此時模型結果與成橋最優索力狀態不閉合。我們不妨直接對該模型進行迭代分析，可以優化出一組考慮收縮徐變等因素的成橋最優索力(體內力值)，對應一組無應力索長。

(2)在上一步的模型中，可以直接提取施工過程吊桿初始索力(施工索力)。以體外力形式更新正裝模型拉索的初拉力，計算后的成橋狀態與步驟(1)的計算結果完全閉合，故本步驟可省。

本方法簡單、方便，直奔主題，可以較好地解決支架法系桿拱及斜拉橋的施工索力分析。但大多數情況下，拉索一次張拉到位，調整過于犀利，無法滿足施工過程結構安全的要求。譬如：安裝張拉拉索前，橋面鋪裝、護欄、人行道等二期荷載尚未施加，直接按照成橋索力施工，可能造成二期荷載施加前索力偏大，而造成主梁開裂。故本方法需要加以改進。

2.2.5改進方法

把考察的中間施工過程當做最終施工階段，按照2.2.4中步驟(1)優化出一組中間過程最優索力(體內力值)。然后把這些中間過程最優索力及按照2.2.4中步驟(1)優化出的成橋最優索力在同一個模型中分幾次鈍化和激活。每根拉索調索前后體內力之差對應的無應力長度之差，近似等于伸長量差值(拔出量)。

這樣就實現在多次調索時，第一遍索力以張拉力控制，第N遍以拔出量控制，并且保證最終把拉索的無應力長度調整至我們事先優化的無應力長度，此時的橋梁內力和線形會自動回歸到我們成橋最優初始狀態。這種方法實際上就是無應力狀態法在Midas Civil中的實際應用。

2.3工程實踐

潛江河大橋施工過程見圖3，其中上部結構主要施工步驟為：

(1)支架現澆加勁縱梁、端橫梁、中橫梁；

(2)鋼管拱安裝，泵送混凝土；

(3)安裝吊桿，并初始張拉；

(4)掛模澆筑后澆帶橋面板及輔助縱梁；

(5)澆筑鋼筋混凝土橋面鋪裝，并調整吊桿索力；

(6)澆筑護欄、安裝人行道板、人行道護欄，攤鋪瀝青，終張拉吊桿索力。

圖3　施工過程

以上施工過程所有吊桿有一輪初張拉、兩輪索力調整。采用改進方法，優化出中間兩個施工階段的最優安裝體內力(表2)。

表2　施工階段索力優化　kN

把優化出來的體內力按照施工過程，分三次以體內力形式激活，并考慮未閉合配合力，即可計算出來初拉安裝索力及每次調整時的索力替代值。初拉安裝索力用于初次張拉吊桿，中間調索過程，可以根據拔出量(無應力長度差)操作，并以調索時的替代索力加以復核。索力替代值與調索順序及施工荷載有關，施工時必須按照預定施工過程、調索順序并盡量排除橋面施工荷載、系統溫度等因素的影響。而拔出量為定值，與以上因素無關，應作為施工控制的主控因素，并以替代索力加以復核。

3結束語

本文介紹了常用的初始索力確定方法，并加以綜合改進，提出了一種簡便、實用、容易為工程設計人員掌握的初始索力計算方法。該法大大減小了現場施工的工作量，提高了計算效率，取得了較好的效果。該方法和思路可以用于類似拱橋及斜拉橋梁。

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