提籃系桿拱橋吊索張拉順序優(yōu)化分析

魏初材

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

0 引言

系桿拱橋一般采用先梁后拱再吊桿施工方法，吊索(或叫吊桿)作為連接拱橋主梁與拱肋之間的傳力構(gòu)件，在施工過程中，吊索張拉是系桿拱橋體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序[1]。系桿拱橋是外部靜定，內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)[2]，不同的吊索張拉順序?qū)?duì)主梁、拱肋受力及變形產(chǎn)生不一樣的影響，主要表現(xiàn)在張拉各階段拱肋、主梁的內(nèi)力分布不同，拱肋、主梁的線形變化不同，最終影響成橋內(nèi)力及成橋線形[3-4]。

系桿拱橋吊索張拉一般采用3種張拉順序：一種是拱頂?shù)跛鞯焦澳_吊索依次進(jìn)行張拉，一種是拱腳吊索到拱頂?shù)跛饕来螐埨€有一種是四分點(diǎn)吊索向拱頂、拱腳依次或者間隔張拉[5]。以達(dá)到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)為目標(biāo)，通過吊索張拉順序的受力分析和優(yōu)化比選，選擇一種既保證施工過程結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)更具操作性和便捷性的方案，對(duì)實(shí)際施工具有非常重要的指導(dǎo)意義[6-8]，并可為同類橋梁吊桿張拉方案優(yōu)化提供借鑒作用。

1 項(xiàng)目背景

××簡(jiǎn)支提籃系桿拱橋，單跨計(jì)算跨徑142 m，矢高32 m，矢跨比L/4.44，橋面總寬32 m，橋梁布置圖見圖1。拱肋采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu)，橫向設(shè)置兩片，拱軸線采用二次拋物線，內(nèi)傾角9°。主梁采用焊接扁平鋼箱梁，單箱三室截面。單跨設(shè)置23對(duì)吊索。吊索位于拱肋平面內(nèi)，縱橋向間距為5.8 m?？拷澳_處的吊桿采用Φ75 mm等強(qiáng)合金鋼拉桿，屈服強(qiáng)度為650 MPa，單跨共4根。其余吊索采用Φ5.0 mm-109低松弛預(yù)應(yīng)力鍍鋅平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa，吊索外包雙層PE防護(hù)套，單跨共42根。吊索采用雙耳內(nèi)旋套筒調(diào)節(jié)型錨具，橋面處錨頭為張拉端，拱肋處為固定端。吊索兩端錨固均采用吊索耳板穿銷軸的錨固構(gòu)造，其中上方吊索通過銷軸與拱肋底面耳板鉸接，僅能沿縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)，吊索下端通過銷軸與主梁頂面耳板鉸接，僅能橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 有限元模型

計(jì)算模型采用橋梁結(jié)構(gòu)通用有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行分析計(jì)算。該橋計(jì)算跨徑為142 m，主梁、拱肋采用梁?jiǎn)卧?，吊索采用桁架單元，將橋梁結(jié)構(gòu)離散為空間模型，共207個(gè)節(jié)點(diǎn)、163個(gè)梁?jiǎn)卧?6個(gè)桁架單元，有限元模型見圖2。主梁、拱肋計(jì)算材料參數(shù)采用實(shí)際試驗(yàn)取值，截面尺寸為關(guān)鍵截面復(fù)核值進(jìn)行修正，通過支架預(yù)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)主梁支架剛度進(jìn)行修正模擬，拱腳處為主梁與拱肋共用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。

3 吊索張拉順序優(yōu)化分析

3.1 吊索張拉順序設(shè)計(jì)

本橋總體施工順序?yàn)橄攘汉蠊霸俚跛?，具體施工步驟為：搭設(shè)主梁支架→牽引法架設(shè)主梁→搭設(shè)拱肋支架→吊裝法架設(shè)拱肋→安裝橫撐→拆除拱肋支架→安裝吊索并張拉吊索→拆除主梁支架→橋面系附屬施工。根據(jù)拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力特性，本文設(shè)計(jì)了3種張拉順序，均為一次張拉到位。編號(hào)A張拉順序?yàn)楣绊數(shù)跛飨蚬澳_吊索①依次對(duì)稱張拉；編號(hào)B張拉順序?yàn)楣澳_吊索①向拱頂?shù)跛饕来螌?duì)稱張拉；編號(hào)C張拉順序?yàn)樗牡确贮c(diǎn)位置吊索⑥向拱頂、拱腳依次對(duì)稱張拉，具體順序詳見表1。

表1 3種張拉順序設(shè)計(jì)

3.2 張拉力分析

以成橋索力為目標(biāo)值，通過正裝迭代的方法對(duì)3種張拉順序進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)5次正裝迭代后，模型中索力與成橋索力偏差控制在2.5%以內(nèi)，迭代終止，得到了3種張拉順序?qū)?yīng)的吊索張拉力值，如表2所示，本橋左右側(cè)對(duì)稱，表2中僅列出單側(cè)吊索數(shù)值，吊索張拉力值對(duì)比見圖3。

表2 3種張拉順序?qū)?yīng)吊索張拉力值 kN

順序A各吊索張拉力值介于393.9 kN～707.8 kN之間；順序B各吊索張拉力值介于385.2 kN～745.9 kN之間；順序C各吊索張拉力值介于286.3 kN～722.2 kN之間。最大張拉力值均小于吊索最小破斷力3 574 kN(其中①吊索最小破斷力為3 753 kN)，且均小于吊耳銷軸及耳夾板剪切破壞的最小拉力值2 192 kN，3種張拉順序各吊索張拉力均留有足夠的安全儲(chǔ)備空間。

3.3 拱肋應(yīng)力分析

對(duì)3種張拉順序拱肋應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，選取主要控制截面進(jìn)行分析，結(jié)果見表3，表4，拱肋應(yīng)力變化對(duì)比圖如圖4，圖5所示。從圖4，圖5中可以看出，在拱腳截面附近，順序A產(chǎn)生的應(yīng)力變化幅值最大，介于-61.9 MPa～29.1 MPa之間；順序B次之，介于-38.2 MPa～26.2 MPa之間；順序C最小，介于-38.5 MPa～2.8 MPa之間。在1/4拱肋截面，順序A產(chǎn)生的應(yīng)力變化幅值最大，介于-54.5 MPa～25.2 MPa之間；順序B次之，介于-37.3 MPa～27.0 MPa之間；順序C最小，介于-36.3 MPa～20.7 MPa之間。在跨中拱肋截面，順序A產(chǎn)生的應(yīng)力變化幅值最大，介于-65.4 MPa～51.7 MPa之間；順序B次之，介于-68.2 MPa～37.5 MPa之間；順序C與順序B相當(dāng)，介于-68.1 MPa～35.7 MPa之間。3種順序應(yīng)力變化幅值均未超出鋼箱拱肋鋼結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，拱肋結(jié)構(gòu)安全。順序C拱肋應(yīng)力整體變化幅值較順序A、順序B更為平緩。

表3 拱肋上緣應(yīng)力匯總表 MPa

表4 拱肋下緣應(yīng)力匯總表 MPa

3.4 主梁應(yīng)力分析

選取主梁主要控制截面進(jìn)行分析，主梁應(yīng)力變化對(duì)比圖如圖6所示。從圖6中可以看出，在支點(diǎn)附近截面及1/4主梁截面，順序C引起的主梁應(yīng)力變化幅值較順序A與順序B小；而跨中主梁截面，順序A產(chǎn)生的主梁應(yīng)力幅值較順序B與順序C小?？傮w而言，3種順序?qū)χ髁寒a(chǎn)生的應(yīng)力均不大于12.2 MPa，數(shù)值較小，主梁拉應(yīng)力的產(chǎn)生為拱腳的水平推力所致。

3.5 拱肋位移分析

本橋拱肋為鋼箱拱肋，主梁為焊接扁平單箱三室鋼箱梁，為柔拱剛梁結(jié)構(gòu)。主梁抗彎剛度及抗扭剛度較拱肋大，故拱肋的變形大于主梁的變形，本文僅選取拱肋主要控制截面進(jìn)行分析，結(jié)果見表5，拱肋位移變化對(duì)比圖如圖7所示。拱肋跨中及1/4截面，順序C產(chǎn)生的位移幅值較順序A及順序B小，總體上更平緩。

表5 拱肋位移匯總表

4 結(jié)語

1)本文針對(duì)××提籃系桿拱橋設(shè)計(jì)了3種張拉順序，通過正裝迭代，得到3組吊索張拉力值，張拉力值均小于吊索最小破斷力，且經(jīng)過驗(yàn)算，張拉力值均小于吊耳銷軸及耳夾板剪切破壞的最小拉力值。3組吊索張拉力值均符合要求，且留有一定的安全儲(chǔ)備。

2)通過拱肋應(yīng)力綜合分析可知，順序C相對(duì)于順序A及順序B，對(duì)拱肋、主梁產(chǎn)生的應(yīng)力變化幅值最小，對(duì)拱肋產(chǎn)生的位移幅值也更小，變化趨勢(shì)較為平緩，從對(duì)拱肋、主梁應(yīng)變的變化幅值及拱肋位移變化幅值角度考慮，順序C為最合理的張拉順序。但順序C為四分點(diǎn)向兩側(cè)往返張拉，張拉設(shè)備來回移動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)操作較為煩瑣。

3)順序B整體較順序A對(duì)拱肋、主梁產(chǎn)生的應(yīng)力及位移幅值小，從拱腳至拱頂?shù)膹埨樞蛟诂F(xiàn)場(chǎng)較容易實(shí)施，從現(xiàn)場(chǎng)操作角度考慮，順序B為較合理的張拉順序。

4)系桿拱橋吊桿張拉順序優(yōu)化時(shí)，在驗(yàn)算確保吊索張拉過程各構(gòu)件具有足夠安全儲(chǔ)備情況下，可優(yōu)先考慮張拉過程的操作性、便捷性，其次考慮張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，本文的相關(guān)分析可為同類橋梁吊桿張拉方案優(yōu)化提供借鑒。