吊桿張拉順序對大跨度拱橋力學性能的影響研究

關鍵詞：大跨度鋼箱拱；吊桿張拉；有限元方法；位移及受力；方案對比中圖分類號：U448.22 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.031文章編號：1673-4874（2025）03-0108-03

0 引言

大跨度鋼箱系桿拱橋1-4作為一種獨特的拱橋橋梁結構形式，因其優美的造型和良好的受力性能而在城市橋梁設計中備受青睞。該類橋梁的主要構造包括主拱、副拱、風撐、橋面、吊桿、橫梁、系桿等，其中吊桿作為關鍵的傳力構件，其張拉順序和力學性能對橋梁的整體受力狀態和安全性能具有重要影響。在拱橋的施工過程中，吊桿的張拉順序是一個至關重要的環節。合理的張拉順序不僅能夠確保橋梁結構的穩定性和安全性，還能優化橋梁的受力狀態，提高橋梁的承載能力。常見的吊桿張拉順序有從拱腳向跨中對稱張拉、由跨中向拱腳對稱張拉以及由四分點對稱張拉等。不同的張拉順序會對橋梁的力學性能產生顯著影響，如吊桿內力分布、拱腳水平推力、拱圈彎矩等。

綜上所述，拱橋吊桿張拉順序及力學性能對比研究對于確保橋梁的安全性和穩定性具有重要意義。為了深入研究拱橋吊桿張拉順序[5-對力學性能的影響，本文將對不同張拉順序下的橋梁受力狀態進行對比分析，探討不同張拉順序下吊桿內力的變化、主梁位移和受力情況，以及橋梁整體結構的穩定性和安全性。本文旨在通過深入的理論分析和實證研究，為拱橋的設計和施工提供科學依據和技術支持，推動橋梁工程技術的不斷發展和創新。

工程概況

本文以某跨河橋梁為研究對象。該橋梁跨徑布置為單跨120m鋼箱系桿拱橋，橋梁標準橫斷面為：3.0m非機動車道 ÷1.5 m拱圈（綠化帶） +0.5 m護欄 +8.25 m行車道 +1m 中分帶 +8.25m 行車道 +0.5m 護欄 +1.5m 拱圈（綠化帶） +3.0 m非機動車道，全寬27. 5m. 。拱圈截面為矩形鋼箱結構，拱圈軸線為二次拋物線形，橋面系采用正交異性橋面板鋼結構，橋梁荷載采用城市一A級，吊桿索體采用1860級 ?15.2mm 無黏結環氧噴涂鋼絞線外擠PE成品索結構，間距為7 m₀ 橋梁立面布置圖如圖1所示，標準橫斷面如圖2所示。

2 吊桿張拉順序分析

吊桿作為大跨度拱橋的重要受力構件，成橋階段吊桿張拉順序對結構受力起到至關重要的作用，目標索力與成橋階段的理論受力是否吻合，是通過吊桿的不同批次張拉來實現的[7-12]。本文以實際工程橋梁為案例進行研究，探討不同張拉順序下吊桿內力的變化、主梁位移和受力情況，分析不同批次吊桿張拉順序對結構的內力及線形變化，主要分為吊桿對稱張拉及對稱交替張拉為基本原則方案。吊桿的布置如圖3所示。

結合吊桿布置，本次模擬吊桿的張拉順序采用五種方案，方案描述如下所示：

方案一：采用對稱的張拉方式，吊桿張拉的順序為拱腳到拱圈頂部，吊桿次序為 N1N2N3N4N5 NE～N7 。

方案二：采用對稱的張拉方式，吊桿張拉的順序為拱圈頂部到拱腳，吊桿次序為 Ngt;2N6gt;N5gt;N4gt;NBgt; NDN1 。

方案三：采用交替張拉的方式，吊桿張拉的順序為拱腳到拱圈頂部，吊桿次序為 N1N3N5N7N2 N4→N6。

方案四：采用交替張拉的方式，吊桿張拉的順序為拱圈頂部到拱腳，吊桿次序為 N/N/N/3N/N/6 N₄N₂ 。

方案五：采用交替張拉的方式，吊桿張拉的順序由1/4拱開始，依次左右張拉至拱圈頂部及拱腳，吊桿次序為 NH-2NB-NE2N2-NE2N2-N17NP

3計算結果

該實際工程拱橋吊桿張拉計算模型采用橋梁有限元軟件MidasCivil進行模擬，其中拱圈、風撐、鋼系桿、橋面系均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。橋梁有限軟計算模型如圖4所示。

3.1拱圈及鋼縱梁位移分析

結合拱橋不同吊桿張拉順序，以成橋階段結果為目標，以吊桿與拱圈及鋼系梁交叉點位移作為分析數據，對比不同吊桿張拉順序下拱圈及鋼縱梁的位移情況，計算結果分別如圖5、圖6所示。

分析圖5、圖6可知，拱橋在成橋狀態下，針對不同吊桿張拉方式下拱圈及系梁的位移分析如下：不同吊桿張拉順序下對拱圈及鋼縱梁的豎向位移影響均相對較小。當采用方案一時，拱圈拱頂的豎向位移為49. 62mm ，拱腳的豎向位移為6.35mm，跨中位置處鋼縱梁豎向位移為 34.29mm ，靠近拱腳位置處鋼縱梁豎向位移為6. 35mm ；當采用方案五時，拱圈拱頂的豎向位移為51. 17mm ，拱腳的豎向位移為4 .78mm ，跨中位置處鋼縱

梁豎向位移為32.67mm，靠近拱腳位置處鋼縱梁豎向位移為4. 63mm 。其中拱圈頂部位移增大3. 12% ，拱腳的位移減小 24.7% ，鋼縱梁跨中豎向位移減小 4.72% ，靠近拱腳位置鋼縱梁豎向位移減小27. 09% 。

進一步分析可知，當采用不同吊桿張拉順序進行施工時，對拱圈及鋼縱梁的主要豎向位移影響較小，主要是因為拱圈吊桿張拉力未發生變化，恒載作用下，拱橋拱圈的主要構件受恒載變化較小，故對位移引起的變化相對較小。

3.2拱圈及鋼縱梁受力分析

結合拱橋不同吊桿張拉順序，以成橋階段結果為目標，以吊桿與拱圈及鋼系梁交叉點位置彎矩和應力作為分析數據，對比不同吊桿張拉順序拱圈及鋼縱梁的受力情況，計算結果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，拱橋在成橋狀態下，針對不同吊桿張拉方式下拱圈的彎矩分析如下：不同吊桿張拉順序下對拱圈豎向彎矩有一定影響，但基本呈線性變化。當采用方案一時，拱圈N1吊桿位置彎矩為 吊桿位置彎矩為1859.69KN·m；當采用方案二時，拱圈N1吊桿位置彎矩為-600.70KN·m，N7吊桿位置彎矩為2004.18kN·m；當采用方案三時，拱圈N1吊桿位置彎矩為-693.88kN·m，N7吊桿位置彎矩為1898.31kN·m；當采用方案四時，拱圈N1吊桿位置彎矩為 吊桿位置彎矩為1986.37kN·m；當采用方案五時，拱圈N1吊桿位置彎矩為-1422.34×N?m，N7 吊桿位置彎矩為1948.50kN·m。

由圖8可知，拱橋在成橋狀態下，針對不同吊桿張拉方式下鋼縱梁的彎矩分析如下：不同吊桿張拉順序下對鋼縱梁的豎向彎矩有一定影響，但基本呈線性變化。當采用方案一時，鋼縱梁N1吊桿位置彎矩為271.90KN·m，N7吊桿位置彎矩為 ；當采用方案二時，鋼縱梁N1吊桿位置彎矩為 176.2×N?m，ND 吊桿位置彎矩為-892.69KN·m；當采用方案三時，鋼縱梁N1吊桿位置彎矩為246.388kN·m，N7吊桿位置彎矩為-811.97kN?m ；當采用方案四時，鋼縱梁N1吊桿位置彎矩為 -219.28kN?m，N 7吊桿位置彎矩為-881.22KN·m；當采用方案五時，鋼縱梁N1吊桿位置彎矩為868.13kN·m，N7吊桿位置彎矩為－817.62kN·m。

經對比分析可知，當采用方案二時，靠近拱腳位置處拱圈及鋼縱梁彎矩最小，當采用方案五時，靠近拱腳位置處拱圈及鋼縱梁彎矩最大；當采用方案一時，跨中拱圈及鋼縱梁彎矩最小；當采用方案二時，跨中拱圈及鋼縱梁最大。

3.3成橋階段吊桿受力分析

為考察不同吊桿張拉順序下，成橋階段吊桿的內力如表1所示。

由表1可知，五種吊桿張拉順序下，成橋階段吊桿力基本上呈現線性變化，說明吊桿張拉次序對成橋階段吊桿的內力影響相對較小。

綜合以上分析，本橋采用方案二為最終張拉方案。

4結語

本文針對支架原位拼裝的大跨度鋼箱系桿拱橋的吊桿張拉方案，本文提出了5種張拉思路，即采用對稱張拉、交替張拉及1/4位置對稱交替張拉等方案，通過有限元軟件進行數值仿真分析，對比5種方案下拱圈、鋼縱梁位移和內力的影響以及拱橋吊桿內力分析，最終采用方案二為實際吊桿張拉方案。實際施工時，拱橋的拱肋及鋼縱梁位移及彎矩，吊桿內力均保持了較好的線性變化，有效地保證了拱橋施工過程中的安全。 °ledast

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