中承式鋼箱拱橋吊桿張拉方案對比分析

中圖分類號：U448.22文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.037

文章編號：1673-4874（2025）01-0123-03

0 引言

中承式鋼箱拱橋即拱肋采用鋼箱截面的橋型，憑借其建筑高度小、橋下凈空大、受力性能好、節段重量輕、制造加工易、施工速度快、景觀效果佳等優勢在拱橋中應用較為廣泛[1-3]。

相比上承式拱橋，中承式鋼箱拱橋拱肋施工合龍后需要通過先下放吊桿，再逐段安裝各鋼格子梁節段并同步張拉吊桿完成橋面系的施工。因此，根據各鋼格子梁節段安裝順序的不同，對應的吊桿張拉方案可分為先中后邊、邊中交替、先邊后中三種順序。然而不同吊桿張拉方案的吊桿初始張力、成橋索力、施工階段拱肋截面應力、成橋拱肋變形、施工便利性等都有所不同，因此非常有必要對不同的吊桿張拉方案進行對比分析，選取最優的張拉方案[4-7]。

本文對中承式鋼箱拱橋吊桿張拉方案進行研究，以某中承式鋼箱拱橋為背景工程，從吊桿初始張力、成橋索力、施工階段拱肋截面應力、成橋拱肋變形、施工便利性等方面綜合對比不同吊桿張拉方案的優缺點，從而選出最優的吊桿張拉方案，供同類橋型吊桿張拉方案借鑒。

1工程概況

背景工程為某城市一座中承式鋼箱拱橋，上跨通航河流，橋跨布置為 3×40m+210m+4×40m 其中主橋長210m，計算跨徑為204m，矢跨比為1/4.25，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數為1.1，橋寬 17m ，兩側設置人行道。主橋橋型立面布置如圖1所示。

鋼箱拱肋截面高 2.5m 寬2.0m、板厚0.25m，采用 D355qD鋼。橋面系采用縱橫鋼格子梁，40cm預制混凝 土橋面板。縱橋向一共設置16對吊桿，間距 10m ，由邊 到中依次編號為T1～T8。T1吊桿型號為 15. 19鋼絞線，其余吊桿型號為 φ15.2mm-17。

2整體有限元模型

根據施工圖，采用橋梁專用計算軟件MidasCivil2022建立主橋中承式鋼箱拱橋整體有限元模型。主橋整體有限元模型如圖2所示。

整體有限元模型共計節點823個、單元1200個，吊桿采用桁架單元進行模擬，鋼箱拱肋、橫撐、鋼格子梁等單元均采用梁單元進行模擬，拱腳、橋面系等邊界條件均按施工圖進行詳細模擬。施工階段根據不同的吊桿張拉方案建立不同的有限元計算模型，進行吊桿張拉方案的對比分析。

3吊桿張拉方案

中承式鋼箱拱橋施工的總體流程為拱座及基礎施工→拱肋施工 → 橋面系施工 → 附屬工程施工，吊桿張拉即屬于橋面系施工中的關鍵工序，其張拉方案的選取影響結構施工階段與成橋階段的受力與變形。下文根據鋼格子梁節段安裝順序的不同，提出三種吊桿張拉方案（分別為先中后邊、邊中交替、先邊后中），對比分析三種不同吊桿張拉方案的優劣，從而選出最優吊桿張拉方案。具體的吊桿張拉順序如表1所示。

4吊桿張拉方案比選分析

根據前文提出的三種吊桿張拉方案，建立不同結構的有限元模型進行施工階段分析，從吊桿初始張力、成橋索力、施工階段拱肋截面應力、成橋拱肋變形、施工便利性等方面綜合對比分析不同吊桿張拉方案的優缺點。

4.1吊桿初始張拉力及成橋索力對比分析

中承式鋼箱拱橋成橋目標索力一般可采用最小彎曲能法、多點彈性支撐法等常用設計方法求出，由施工圖設計單位提供。而由于吊桿初設張拉力的不同及吊桿張拉順序的不同，實際施工后得到的成橋索力與成橋目標索力往往存在偏差。因此，以吊桿初始張力及成橋索力為評價標準來評價吊桿張拉方案的優劣，可從以下兩個方面進行：（1）成橋索力與成橋目標索力誤差最小；（2）吊桿初始張拉力相對不大，且均勻。

吊桿的初始張拉力一般根據吊桿張拉方案，以成橋索力（計算得到的成橋索力，下同）與成橋自標索力誤差最小為原則，可采用倒拆一正裝選代法求得，具體計算過程如下：

（1）根據吊桿張拉方案，建立由成橋到裸拱的倒拆模型，得到吊桿初始張拉力。

（2）根據（1）中求得的吊桿初始張拉力和吊桿張拉方案，建立由裸拱到成橋的正裝模型，計算成橋索力與成橋目標索力誤差，調整吊桿初始張拉力。

（3）重復上述計算，經過反復多次的選代計算，取成橋索力與成橋目標索力誤差最小時的初始張拉力作為吊桿最終的初始張拉力。

經計算，各吊桿張拉方案采用倒拆一正裝迭代法求得的吊桿初始張拉力及成橋索力如表2所示。

由表2分析可知，三種吊桿張拉方案采用倒拆一正裝迭代法求得的成橋索力誤差均在 3% 以內，精度均非常高，說明將倒拆一正裝選代法用于計算吊桿初始張拉力是可行的，不僅高效且精度高，同時也間接說明了三種吊桿張拉方案在施工上都是可行的。

進一步對比各方案成橋索力誤差可知，方案三誤差相比最小，最大誤差僅 1.67% ，方案二誤差相比最大，最大誤差達 2.84% 。可見，以成橋索力為評價標準可以得出方案三相比最優，方案一次之，方案二最差。

此外，對比三種方案得到的吊桿初始張拉力可知，三種方案吊桿初始張拉力總體上相差不是特別大，方案一吊桿最大初始張拉力為332.5kN，最小為231.0kN，相差101.5KN；方案二吊桿最大初始張拉力為340.0KN，最小為248.0kN，相差92.0KN；方案三吊桿最大初始張拉力為330.0kN，最小為256.3kN，相差 74.0k N 由此可見，吊桿最大初始張拉力最大值出現在方案二，各吊桿初始張拉力極差最大出現在方案一，而相比方案二與方案一，方案三吊桿初始張拉力則相對不大，整體上最為均勻。因此，以吊桿初始張拉力為評價標準可以得出吊桿張拉方案三最優，方案二次之，方案一最差。

4.2拱肋應力對比分析

橋面系各節段在吊裝及吊桿張拉過程中，拱肋截面內力（彎矩、軸力）一直處于不斷變化中，為保證吊桿張拉過程中橋梁的結構安全，則拱肋截面應力不應超過其材料設計允許值（275 MPa） 。

經過對各吊桿張拉方案的有限元分析，各方案在吊桿張拉階段拱肋截面應力對比如表3所示。

由表3分析可知，方案一吊桿張拉階段拱肋截面最大壓應力為 34.5MPa ，最大拉應力為 2.4MPa ；方案二吊桿張拉階段拱肋截面最大壓應力為52.6 ，無拉應力出現，最小壓應力為 0.7MPa ；方案三吊桿張拉階段拱肋截面最大壓應力為62.3 ，最大拉應力為 5.3MPa 總體上三種方案在吊桿張拉階段其拱肋截面應力均在其材料設計充許值范圍內，都能保證吊桿張拉過程中橋梁結構的安全，方案三在吊桿張拉階段拱肋截面應力及應力變化幅值相比最大，方案二次之，方案一最小。因此，以施工階段拱肋截面應力為評價標準可以得出吊桿張拉方案一相對最優，方案三最差。

4.3成橋拱肋變形對比分析

拱肋變形是評價吊桿張拉方案優劣的重要依據，同時也是拱橋施工控制中的核心環節。

經過對各吊桿張拉方案的有限元分析，各方案拱肋成橋位移對比如圖3所示。

由圖3分析可知：各吊桿張拉方案成橋拱肋最大位移均發生在拱頂。方案一成橋拱肋最大位移為63.8m m ，方案二成橋拱肋最大位移為53.7mm，方案三成橋拱肋最大位移為48. 5m m ，即方案三最終成橋拱頂變形最小，方案一成橋拱頂變形最大，與方案三相比大15.3mm。因此，以成橋拱肋變形為評價標準可以得出吊桿張拉方案三成橋拱肋變形最小，相對最優，方案二次之，方案一最差。

4.4施工便利性對比分析

不同的吊桿張拉方案其施工便利性有所不同，好的吊桿張拉方案往往能使吊桿張拉過程具有更好的便利性。因此，施工便利性也是評價吊桿張拉方案優劣的重要依據。

對比各張拉方案所對應的吊桿初始張拉力可知，各吊桿初始張拉力最大值相差不大，因此在配備張拉千斤頂時三種方案優劣性基本一致，但方案二為邊中交替進行張拉，千斤頂需要來回吊裝搬運，相對較為麻煩，對施工工期具有一定影響。

此外，方案一與方案二合龍口為兩個，即相比方案三多了一倍，因此合龍工作量相比更大，施工工期相比更長，且合龍口本身控制難度大，受溫度、濕度、線形、焊接等因素影響均較大。由此可見，合龍口更少的方案三施工便利性更優。

對于通航河流的中承式鋼箱拱橋，橋面系各節段一般由工廠制作再航運至橋梁下方，直接從運輸船上起吊橫移安裝，而起吊點盡可能選擇通航視野更寬闊的跨中區域進行起吊。因此，從橋面系船舶運輸橋下起吊方面考慮，方案三施工便利性最優，方案一、方案二次之。

綜合以上所有分析可知，方案三在吊桿初始張力的均勻性、成橋索力精度、成橋拱肋變形大小、施工便利性四個方面均優于方案一、方案二；雖然在施工階段拱肋截面應力上優勢不如方案一，但應力遠低于材料設計充許值，不影響結構的安全。因此，綜合對比得出方案三為最佳吊索張拉方案。

5 結語

本文以某中承式鋼箱拱橋為研究背景，提出了三種吊桿張拉方案，并從吊桿初始張力、成橋索力、施工階段拱肋截面應力、成橋拱肋變形、施工便利性五個方面客觀詳細地對比了三種吊桿張拉方案的優劣，最終比選出方案三（先邊后中）為最優吊桿張拉方案。本文依托項目吊桿張拉方案即選用了方案三，實際施工中吊桿張拉順利，施工迅速，成橋拱肋實測線形與設計線形吻合度非常高。

參考文獻

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