鋼箱系桿拱橋吊索張拉方案比選分析

摘要：為對系桿拱橋施工階段的吊索張拉方案進行研究，文章以某城市鋼箱系桿拱橋為工程背景，基于吊索最常見的4種張拉順序，提出4種張拉方案，從成橋索力精度、結構受力變形、施工便利性等方面綜合考慮，比選出吊索最優張拉方案。結果表明：方案三（邊中交替張拉）得到的成橋索力誤差最小，結構各施工階段受力也相對較小，位移變化均勻，且施工相對便利，方案相對最優。

關鍵詞：拱橋；鋼箱；系桿；成橋索力；方案比選

0引言

下承式系桿拱橋以其結構輕盈、造型優美、跨越能力大、建筑高度小等優點一直受到橋梁建設者的青睞，尤其在地質條件較差的城市更是被廣泛地應用［1］。其一般由拱肋、吊索、系桿及橋面系組成，整體簡支于橋墩之上。

系桿拱橋整體施工順序一般為先支架施工主梁，后施工拱肋及張拉系桿，最后張拉吊索完成體系轉換［2-3］。在一些通航的城市河流段，往往還會選擇先在陸地支架施工到完成整座系桿拱橋體系轉換，再將整座橋梁頂推至橋位處。由于在施工階段需要張拉吊索，因此可以通過張拉吊索，調整索力，優化整座橋梁受力。然而，由于該橋型施工順序為“先梁后拱”，再進行吊索張拉，因此吊索張拉方案有無數種，如何確定一個合理的吊索張拉方案，即使成橋索力達到設計目標，且結構各施工階段受力相對較小，施工相對便捷，對此同行做了不少研究與實踐［4-6］。

本文在以往研究的基礎上，以某鋼箱系桿拱橋為研究對象，通過對比分析4種不同吊索張拉方案的優劣，找到相對最優的吊索張拉方案，為背景工程施工提供技術保障。

1 工程概況

背景工程為某城市鋼箱系桿拱橋，跨越城市河流，主橋為主跨150 m下承式鋼箱系桿拱橋，橋面寬16 m，計算跨徑為146 m，計算矢高為29.2 m，矢跨比為1/5，拱軸線設計為拋物線，其立面如圖1所示。

橋面采用縱橫梁體系、整體橋面板結構，均采用Q355鋼材。吊索順橋向間距為9.0 m，全橋共15對吊索，從拱腳至跨中依次編號為T1～T8。所有吊索采用1 860 MPa級別的索體用環氧噴涂PE護套鋼絞線纏包后熱擠HDPE層+聚脲防護層（單邊厚度≈1.5 mm），吊索T1型號為15.2-17，其余吊索型號為15.2-15。

根據施工方案，本橋主要施工工序為：（1）樁基、承臺、主墩等下部結構及基礎施工；（2）岸上搭設滿堂支架，安裝系梁及橋面系；（3）安裝拱肋及橫撐；（4）張拉吊索完成體系轉換；（5）安裝導梁，整橋循環多點頂推至實際橋孔；（6）拆除臨時設施，完成預制橋面板施工并張拉系桿；（7）完成橋面鋪裝及附屬設施施工。

本文主要對背景工程吊索張拉進行多方案比選分析，尋找最合理的吊索張拉方案，即能滿足設計與施工要求，且能保證施工的相對便利性。

2 吊索張拉方案設計

由于下承式系桿拱橋施工順序一般為“先梁后拱”，再張拉吊索完成體系轉換，因此吊索張拉方案有無數多種，但大體張拉順序為4種，即先邊后中、先中后邊、邊中交替、邊中對稱。本文基于4種張拉順序，設計4種張拉方案進行比選，如表1所示。

3 有限元模型的建立

為對設計的4種吊索張拉方案進行比選分析，本文采用Midas Civil軟件建立結構整體有限元模型，如圖2所示。

在模型中，拱肋、橫撐、系桿、橋面系均采用梁單元進行模擬，吊索采用桁架單元進行模擬，施工滿堂支架采用只受壓彈性支座進行模擬，成橋邊界則按設計文件進行設置，施工階段劃分則嚴格按實際施工順序及上文設計的張拉順序進行模擬。全橋模型共計419個節點，402個單元。

4 吊索張拉方案比選分析

由于本項目主梁采用滿堂支架拼裝施工，待所有吊索張拉完才拆除支架，因此，主梁線形及受力在吊索張拉過程中變化不顯著，故只從吊索的成橋拉力，拱肋應力（取拱頂、1/4拱肋處）、拱肋位移等方面對4個方案進行比選分析。

4.1 吊索成橋索力及初始張拉力對比分析

吊索實際成橋索力一般以設計成橋索力為目標（設計單位提供），根據實際張拉順序，通過對施工過程的迭代計算，求得各施工階段吊索初始張拉力。總體目標原則為：實際成橋索力誤差最小；各吊索初始張拉力相對較小。具體求解過程如下：

（1）建立全橋有限元模型，以設計成橋索力為吊索初始張拉力，根據張拉方案進行倒拆建模分析，得到各施工階段吊索初次張拉索力。

（2）以倒拆分析得到的吊索初次張拉索力作為其施工階段初始張拉力，根據張拉方案進行正裝建模分析，得到實際成橋索力。

（3）將（2）中得到的實際成橋索力與目標索力進行對比，得出誤差值。

（4）重復（2）、（3）的計算過程，進行多次迭代，使實際成橋索力與目標索力誤差值達到最小，得到最終各張拉方案的成橋索力與初始張拉力。

采用倒拆-正裝迭代方法分析得到的各張拉方案成橋索力及初始張拉力如表2所示。

由表2分析可知，從成橋索力來看，由于本橋拱肋、主梁等均為鋼結構構件，無收縮徐變問題，因此，4個張拉方案中采用倒拆-正裝迭代分析得到的成橋索力與目標索力誤差均較小，基本在1.3%以內。總體來說各張拉方案均滿足施工精度要求，方案三的施工精度最高，即成橋索力與目標索力最接近。

從各索初始張拉力來看，各張拉方案最大初始張拉力均發生在T1吊索；方案二最大初始張拉力為514.5 kN，其他3個方案最大初始張拉力均為548 kN左右，但方案二T1、T2、T3、T4吊索初始張拉力基本＞450 kN；方案一中＞430 kN的有3對吊索，方案四中＞400 kN的有4對，方案三雖有2對吊索初始張拉力＞500 kN，但其他吊索初始張拉力均＜350 kN，50%以上的吊索初始張拉力＜310 kN。因此，相比其他3個張拉方案，方案三各吊索初始張拉力相對較小。

4.2 拱肋應力對比分析

當因吊桿的張拉導致截面彎矩較大時，拱肋上下緣受壓，當壓應力超過一定限值時，拱肋可能存在屈服或屈曲的危險，因此在吊索張拉過程中應對拱肋應力進行控制。下文重點通過對比1/4拱肋及拱頂應力來比選最優張拉方案。經有限元正裝分析，各施工階段1/4拱肋及拱頂應力如下頁表3、表4所示。

由表3、表4分析可知，方案四各施工階段最大應力為23.8 MPa，最小應力為0.19 MPa；方案一各施工階段最大應力為23.0 MPa，最小應力為1.5 MPa；方案二各施工階段最大應力為20.9 MPa，最小應力為2.06 MPa；方案三各施工階段最大應力為19.9 MPa，最小應力為2.82 MPa。可見，整個施工過程中方案三整體應力相對最小，整體應力幅度也相比最小。因此，方案三能保證主拱肋在各吊索張拉過程中上下緣應力相對較小，且應力變化幅值不大，相對均勻，綜合對比最優。

4.3 拱肋位移對比分析

拱肋變形也是施工控制中的重要指標，可重點通過對比1/4拱肋及拱頂豎向位移來比選最優張拉方案。經有限元正裝分析，各施工階段1/4拱肋及拱頂豎向位移如表5所示。

由表5分析可知：方案一1/4拱肋各施工階段位移相比最大，最大位移達到22.40 mm，方案二次之，最大達22.07 mm。方案三、方案四1/4拱肋各施工階段位移相對稍少，總體與方案一、方案二相差不大，但方案三位移變化相對均勻。

方案二拱頂各施工階段位移相比最大，最大位移達到29.22 mm，方案一次之，最大達26.29 mm，但位移變化幅度較大。方案三、方案四拱頂各施工階段位移相對稍少，總體位移變化相對均勻。

綜合對比1/4拱肋及拱頂位移大小及變化幅度，方案三的位移相對較少，且位移變化均勻，綜合對比最優。

4.4 施工便利性對比分析

從施工便利性方面來看，4個方案中吊索張拉階段最大索力相差不大，所以張拉設備在選型上基本一致，區別不大。綜合對比，方案三的施工階段張拉力相比較小，張拉過程的索力相對更好控制，施工成本及施工風險相對最低。

5 結語

本文以背景工程為研究對象，建立全橋整體有限元模型，采用倒拆-正裝迭代法分析，對4種吊索張拉方案下的成橋索力精度、初始張拉力、拱肋應力與位移、施工便利性等進行了詳細對比分析，最終比選出最優吊索張拉方案（方案三）。實際施工即采用了本文方案三進行吊索張拉，張拉過程順利，成橋索力與線形與設計吻合度均較高。

參考文獻：

［1］趙君委，邵志向，房永祥.鋼箱系桿拱橋吊桿張拉順序方案研究［J］.公路與汽運，2018（1）：126-128.

［2］王 莉.系桿拱橋吊桿張拉方案優化試驗研究［J］.中外公路，2020，60（1）：11-14.

［3］郭 鑫，顏東煌，袁 晟，等.剛性系桿拱橋吊桿張拉索力施工控制研究［J］.中外公路，2020，40（5）：81-86.

［4］傅金龍，黃天立.鋼管混凝土拱橋吊桿張拉方案優化研究［J］.橋梁建設，2016，46（4）：67-72.

［5］周小勇，呂志敏，王加輝，等.支架現澆系桿拱橋吊桿張拉方案優化［J］.中外公路，2022，42（2）：125-130.

［6］史恒利，季日臣，張玉柱，等.鋼管混凝土系桿疊拱橋吊桿張拉方案分析［J］.黑龍江交通科技，2019（6）：102-105.

作者簡介：吳承龍（1989—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。