梁拱組合體系橋梁吊桿張拉方案合理性研究

周偉明

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司 合肥市 230011)

梁拱組合體系橋梁屬外部靜定、內部超靜定結構，最顯著的特點是可以通過調整吊桿索力來改變結構的內力分布，從而優化結構受力。對于梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工而言，需要確定一個合理的吊桿張拉方案，使得該張拉方案所經歷的一切中間狀態均滿足結構的內力、變形及施工機具承載力要求，并在吊桿張拉結束后達到預先制定的成橋目標設計狀態。針對施工過程中吊桿張拉的不確定性，以梁拱組合體系橋梁為研究對象，通過比較分析該類型橋在施工中常用的吊桿張拉方案，分析不同吊桿張拉順序對結構引起的內力及變形，從而確定吊桿張拉方案的合理性。

1 工程案例

1.1 工程概況

安徽省阜陽市向陽路潁河大橋主橋跨徑布置為(47+148+47)m。主橋為三跨梁拱組合體系橋梁，拱圈為雙片鋼箱拱。拱圈截面為矩形鋼箱結構，拱圈軸線為二次拋物線，矢跨比為1/4，拱腳位置處拱圈上、下緣線為二次拋物線與圓弧線的組合線型。鋼縱梁梁高為2.5m，寬2.0m。縱梁頂底板、腹板厚度均為24mm。縱梁頂底板均采用I型加勁肋，加勁肋高度為170mm、厚14mm。主梁內設平衡拱肋推力的水平系桿索，每側鋼縱梁內穿越4束，組成結構的柔性桿體系，單根系桿由16股Φ15.2環氧鋼絞線組成。吊桿采用Φ15-15環氧無粘結鋼絞線整束擠壓式吊桿體系。橋型總體布置如圖1所示，吊桿編號布置如圖2所示。

圖1 潁河大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 潁河大橋吊桿編號示意圖

1.2 有限元模型

利用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL 2015建立該橋的模型，并按照具體施工流程建立該橋的施工階段模型，以模擬分析吊桿張拉施工過程。拱肋、系梁均采用梁單元模擬；吊桿采用桁架單元模擬；系梁支架采用只受壓彈性連接模擬。

2 吊桿張拉施工的合理性探討

由于梁拱組合體系橋梁內部超靜定的特性，在施工過程中，結構處于“暫態”，結構內力在每個施工階段都存在交替變化。因此，吊桿張拉施工的合理性包含了吊桿張拉順序以及張拉控制力兩方面。

2.1 吊桿張拉順序方案

成橋吊桿索力作為最終的目標索力是按照一定的吊桿張拉順序逐批次張拉吊桿實現的。以圖1、圖2所示的一座梁拱組合體系橋梁為例，分析其吊桿的張拉順序對結構內力及線型的影響。以對稱依次張拉和對稱交替張拉的原則確定五種吊桿張拉順序方案：

方案Ⅰ：由拱腳到拱頂對稱依次張拉，即D1～D11順序。

方案Ⅱ：由拱腳到拱頂對稱交替張拉，即D1-D3-D5-D7-D9-D11-D2-D4-D6-D8-D10順序。

方案Ⅲ：由拱頂到拱腳對稱依次張拉，即D11～D1順序。

方案Ⅳ：由拱頂到拱腳對稱交替張拉，即D11-D9-D7-D5-D3-D1-D10-D8-D6-D4-D2順序。

方案Ⅴ：由1/4拱、拱頂、拱腳對稱交替張拉，即：D6-D5-D7-D8-D4-D3-D9-D10-D11-D2-D1順序。

2.2 吊桿張拉控制力計算方法

在確定吊桿目標索力后，需要求出施工過程中吊桿張拉控制力。在梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工過程中，期間會伴隨著結構的變形、系梁支承體系的轉換及內力的重分布，分批張拉的吊桿之間也會有相互影響。根據吊桿張拉順序，確定吊桿的張拉控制力，使每階段吊桿張拉完畢后，所有吊桿張拉力達到目標值。吊桿張拉方案按張拉次數可分為一次張拉到位方案和多次張拉到位兩類。由于在實際施工中，一次張拉到位的方案通常存在安全隱患大、成橋索力誤差較大以及對張拉設備要求高等弊端，故通常采用兩次張拉方案進行吊桿張拉施工。目前計算吊桿張拉控制力的方法主要有迭代法、倒拆法和影響矩陣法。

實際施工張拉時，以設計圖紙中的吊桿初張力為目標值(通常為成橋吊桿索力的60%)，根據吊桿張拉順序，按倒拆法分析第一次吊桿初張拉控制力。在施工完二期恒載及剩余系桿張拉后，根據吊桿張拉順序，用影響矩陣法分析第二次吊桿張拉調整的張拉控制力。那么在所有吊桿施工完畢后，各吊桿的拉索力能滿足成橋吊桿索力目標值。

必須注意的是，由于橋面系施工一般采用支架原位拼裝，在吊桿開始張拉到張拉結束，可能存在著體系的轉換，這會給倒拆分析帶來較大困難。因此可在計算中假設在第一次吊桿初張拉結束后再對系梁支架進行脫架，這與大多現實情況相符。

2.3 吊桿張拉施工的合理性準則

(1)安全性準則：即結構受力、穩定性符合要求。在吊桿張拉過程中，結構各構件(系梁、拱肋和吊桿)應力不應超過規范規定的容許值。

(2)適用性準則：即在吊桿張拉過程中，吊桿初張力不宜超過成橋設計索力太多，避免為滿足施工中短暫的強度要求而增加材料強度等級或增大材料用量，提高材料利用率；結構應力宜較平緩地過渡，避免劇烈變化。

(3)經濟性準則：即吊桿張拉施工應兼顧施工的經濟便捷性。各吊桿的初張力不宜相差過大，減少不同噸位張拉設備數量。同時，還應盡量簡化張拉施工操作，避免張拉設備往復移動。

3 吊桿張拉方案比較分析

3.1 吊桿張拉控制力

根據吊桿張拉順序，先將吊桿從0張拉至第一次吊桿張拉索力目標值(600kN)；再將吊桿從第一次吊桿張拉索力目標值張拉至成橋吊桿張拉索力目標值。張拉順序Ⅰ～Ⅴ對應的吊桿張拉控制力如表1所示。

據表1可知，采用兩次張拉的吊桿張拉方案，多數情況下吊桿張拉控制力在較低水平，且各批次吊桿張拉控制力較為平均，從而可使吊桿張拉設備的規格要求隨之降低。另外，此5種張拉方案對應的吊桿張拉控制力均未超過吊桿的設計索力，符合相關規范的要求。

3.2 吊桿張拉施工過程的結構應力

施工過程中，取拱腳(系梁支點)、1/4拱(系梁1/4跨)、拱頂(系梁跨中)六個關鍵截面做分析：5種吊桿張拉方案對應的施工過程中鋼箱拱的正應力處于-138～13MPa，符合相關規范的要求；鋼系梁的正應力大多處于-35.4～75.7MPa，符合相關規范的要求。結構關鍵截面的應力峰值以及應力變化如圖3～圖12所示。

表1 各張拉方案的吊桿張拉控制力(單位：kN)

圖3 張拉方案Ⅰ拱肋關鍵截面應力

圖4 張拉方案Ⅰ系梁關鍵截面應力

圖5 張拉方案Ⅱ拱肋關鍵截面應力

圖6 張拉方案Ⅱ系梁關鍵截面應力

圖8 張拉方案Ⅲ系梁關鍵截面應力

圖9 張拉方案Ⅳ拱肋關鍵截面應力

圖10 張拉方案Ⅳ系梁關鍵截面應力

圖11 張拉方案Ⅴ拱肋關鍵截面應力

圖12 張拉方案Ⅴ系梁關鍵截面應力

據圖3～圖12所示：

(1)在吊桿初張拉完系梁脫架后以及施加二期恒載后，結構應力會經歷較大變化幅度，這是符合實際情況的。

(2)當設置合理的吊桿初張力目標值時，由于系梁脫架的影響，吊桿的二次張拉僅須對吊桿索力進行調整。這大大降低了吊桿張拉過程中結構應力的往復變化幅度。除張拉方案Ⅲ外，所有張拉方案在其他施工階段均保持較小的應力往復變化幅度。

相比之下，張拉方案Ⅱ、Ⅴ的結構應力變化較方案Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ更為平緩。

4 結論

以梁拱組合體系橋梁為研究對象，結合具體的工程實例，分析各吊桿張拉方案，得到以下結論：

(1)采用支架法施工的梁拱組合體系橋梁，由于在第一次張拉吊桿的過程中，系梁的脫架過程是復雜且難以精確模擬的。故在有限元的分析計算中，系梁脫架這一體系轉換過程可在吊桿第一次張拉完畢后采用一次脫架考慮。

(2)當考慮吊桿張拉過程中結構的體系轉換時，結構施工過程中的應力在吊桿第一次張拉期間變化較小，結構應力的變化受吊桿第二次張拉影響較大，而在體系轉換這一施工過程變化最為劇烈，施工時應加強監測。

(3)在吊桿張拉施工過程中，對稱交替張拉吊桿方式可使張拉過程中結構的應力分布更均勻，有利于保證結構的安全。從1/4拱位置吊桿或拱腳位置吊桿開始進行對稱交替張拉的施工順序是比較合理的。

在張拉機具合理選擇前提下，當設置合理的吊桿初張力目標值時，吊桿的二次張拉僅須對吊桿索力進行較小調整，結構應力在二次張拉期間變化幅度相應較小，因此可根據施工條件靈活地選擇二次張拉時的施工順序。因此，在梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工前，對吊桿初張拉的目標值進行驗算及優化是有益的。