廣元嘉陵江雙線特大橋吊桿張拉研究

桂成中，張永水

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

1 工程概況

下承式拱輔梁橋由于造型美觀，有利橋下通航等優(yōu)點，是工程上常用的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。新建蘭渝鐵路線廣元嘉陵江特大橋［1］屬于此種單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土拱輔梁橋的結(jié)構(gòu)形式，其跨徑為(82+172+82)m，在同類型鐵路橋梁中目前位居全國首位。該橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中跨支座處截面高為10 m，中跨跨中處高為4.5 m;底板寬均為9.8 m，翼緣板除支點局部加寬外，寬均為13 m。鋼管混凝土拱肋計算跨度為172 m，設(shè)計矢高為34.4 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線;拱肋采用3.1 m高啞鈴形等截面。拱肋弦管及綴板采用Q345qD鋼，拱肋弦管拱腳處規(guī)格為Φ1100 mm×24 mm，拱腳之間弦管規(guī)格為Φ1100 mm×20 mm，弦管之間用δ=16 mm厚鋼綴板連接，綴板外邊距700 mm，拱肋弦管及綴板內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距11.2 m。橋順橋向和橫橋向共設(shè)19對吊桿，自中至邊吊桿順橋向間距為8 m，吊桿采用OVM.GJ15-31鋼絞線整體擠壓拉索。本橋按照先梁后拱，再張拉吊桿及施加二期恒載的順序施工。全橋梁拱布置如圖1。

圖1 廣元嘉陵江雙線特大橋梁、拱布置(單位:cm)Fig.1 Arch and girder layout of Guangyuan Jialing River double-line large-span bridge

2 吊桿張拉有限元研究方法

2.1 正裝迭代法

處理拱輔梁橋施工階段吊桿張拉問題的方法通常有正裝迭代法、無應(yīng)力狀態(tài)法、倒裝法及影響矩陣法等。因正裝迭代法簡便可行，收斂快且效果好，能較好地反映出吊桿張拉過程中力學(xué)特性，故筆者采用此法進行吊桿張拉計算與研究。

正裝迭代法的基本思想可概括為:本次預(yù)設(shè)張拉力作用下的吊桿內(nèi)力與設(shè)計目標索力比較，若其差值在規(guī)范規(guī)定誤差范圍外，將此差值與本次預(yù)設(shè)張拉力的疊加值作為下次張拉力，按此方法，進行若干次迭代，便可得到規(guī)范規(guī)定誤差范圍內(nèi)的施工階段理論張拉力。由于吊桿目標索力已知［1］，筆者在差值迭代法基礎(chǔ)上對其進行改進，將吊桿目標索力作為假定索力，進行若干次迭代，得到吊桿理論索力［2-4］。其數(shù)學(xué)表達式為:

式中:K為規(guī)范規(guī)定允許誤差，一般取5%;［Ti］為第i次吊桿張拉完吊桿內(nèi)力矩陣;［T0］為吊桿設(shè)計目標索力矩陣。

2.2 有限元計算模型介紹

本橋主要采用MIDAS/CIVIL進行施工階段模擬，計算模型以連續(xù)梁施工完畢及鋼管混凝土拱肋安裝結(jié)束作為初始狀態(tài)，按照一定順序及方法張拉吊桿及施加二期恒載，得到各階段計算數(shù)據(jù)。

全橋連續(xù)梁及鋼管混凝土拱肋采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。連續(xù)梁混凝土強度等級為C55，吊桿計算截面采用換算后有效截面，其fpk為1 860 MPa。吊桿對應(yīng)的編號D1～D10如圖2，其中橫橋向兩榀拱肋上吊桿編號對應(yīng)相同。

圖2 吊桿編號Fig.2 Boom number

3 吊桿張拉方案

3.1 吊桿張拉方法及順序

關(guān)于吊桿張拉順序，研究認為，對吊桿力的最終結(jié)果而言，與張拉的次序是無關(guān)的［5-6］。故在一定范圍內(nèi)吊桿在不同張拉順序不同張拉方法下均可得到相同目標索力，筆者按此方法進行結(jié)構(gòu)計算分析。

吊桿張拉方法受場地條件、現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量及規(guī)格、技術(shù)人員配備、拱梁力學(xué)特性和經(jīng)濟性等影響較大，故張拉方法繁多。結(jié)合目前采用的一次張拉法、二次張拉法及多次張拉法，分別計算研究各方法張拉效果。

一次張拉法，因其在經(jīng)濟方面占有優(yōu)勢，張同飛［7］將其作為吊桿張拉的首選方法，并建議泰州大橋?qū)嶋H吊桿張拉中采用此方法。為驗證其可行性，筆者計算中亦將該方法與其他方法相對比。因二期恒載施加時機對梁的應(yīng)力位移影響較大，計算中按照二期恒載在吊桿張拉前、張拉后施加兩種方案考慮。兩種方案均采用8臺千斤頂沿橫橋向及順橋向?qū)ΨQ均衡同步張拉，其張拉順序按照吊桿D5、D10→D4、D9→D3、D8→D2、D7→D1、D6 進行。

二次張拉法分初始張拉及最終張拉兩個階段。計算中二期恒載在初張拉之后、最終張拉之前施加。張拉順序與一次張拉法相同，每根吊桿進行二次循環(huán)張拉。

多次張拉法經(jīng)初始多次調(diào)整張拉、二期恒載及最終多次調(diào)整張拉3個階段。此方案采用4臺千斤頂按照吊桿 D1→D3→D5→D7→D9→D2→D4→D6→D8→D10的張拉順序多次調(diào)整張拉力直至設(shè)計目標索力。本橋設(shè)計施工圖中選擇多次張拉法，要求在加初張力后每次張拉調(diào)整值不大于100 kN。

3.2 吊桿張拉方案選取

文獻［2-7］重點研究吊桿張拉本身的力學(xué)特性變化情況，而對二期恒載施加時機對拱、梁的影響未做具體分析。而鐵路橋梁中二期恒載達到181 kN/m，其荷載所占比重較大，有必要對施加二期恒載在吊桿張拉前后的狀況進行前進和倒退分析。

擬采用4種方案:方案1為一次張拉法(二期恒載在吊桿張拉后施加);方案2為一次張拉法(二期恒載在吊桿張拉前施加);方案3為二次張拉法(二期恒載在初始張拉后最終張拉前施加);方案4為多次張拉法(二期恒載在初始張拉后最終張拉前施加)。

在進行4種方案比選時，效果評估準則為:每調(diào)一對索時，應(yīng)盡量使整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和撓度變化幅度最小，并在結(jié)構(gòu)安全的范圍內(nèi)［8］。

4 吊桿張拉效果分析

4.1 吊桿內(nèi)力情況

對以上設(shè)計方案，通過若干次迭代，控制吊桿成橋索力與設(shè)計成橋索力偏差在控制范圍內(nèi)，得到成橋計算索力。在正裝迭代過程中，對吊桿最大計算索力與吊桿設(shè)計成橋索力進行比較，根據(jù)吊桿內(nèi)力變化幅度，判定方案合理性。拱肋1/4處及拱頂處吊桿張拉過程中最大內(nèi)力比較見表1。

表1 D5及D10吊桿最大索力比較Table 1 Maximum internal force comparison of the boom D5 and D10 /kN

由表1可知，方案2中吊桿自身索力變化幅度最大，拱頂?shù)鯒UD10甚至達到目標索力的4倍，方案4與目標索力的變化幅度最小，方案1與方案3變化幅度相近。

4.2 吊桿應(yīng)力情況

4種方案中吊桿張拉及二期恒載施加過程中，吊桿最大應(yīng)力均發(fā)生在D5及D10吊桿處，其最大應(yīng)力如表2。

表2 D5及D10吊桿最大應(yīng)力Table 2 Maximum stress of the boom D5 and D10 /MPa

比較表1與表2，內(nèi)力與應(yīng)力對應(yīng)存在相同線性關(guān)系，且吊桿最大應(yīng)力為185.9 MPa，均在吊桿彈性變形應(yīng)力范圍內(nèi)。但方案2約為方案4的3倍，方案1、方案3均大于方案4。

4.3 拱、梁位移變化情況

由表1及表2可知，方案4吊桿內(nèi)力應(yīng)力變化幅度最小，故以方案4為參照方案。將其初始張拉前位移作為初始值，最終張拉完位移作為最終值，得到方案1～方案3位移變化參考范圍，以此判斷各方案張拉效果的優(yōu)劣。各方案拱、梁位移變化趨勢見圖3。

圖3 拱頂、梁中跨跨中、梁邊跨跨中位移變化趨勢Fig.3 Displacement variation tendency of arch mid-span，the middle of girder mid-span and the middle of girder side-span

圖3(a)反映了各方案在不同工況拱頂位移變化幅度相近，而圖3(b)、(c)方案2的連續(xù)梁中跨跨中及邊跨跨中的位移變化幅度最大。

4.4 拱、梁彎矩剪力情況

表3、表4中拱肋內(nèi)力選取拱頂、拱腳及1/4截面內(nèi)力，連續(xù)梁內(nèi)力選取主墩墩頂、中跨跨中和中跨1/8截面內(nèi)力。

表3 拱肋及連續(xù)梁最大彎矩Table 3 Maximum bending moment of arch rib and girder/(kN·m)

表4 拱肋及連續(xù)梁最大剪力Table 4 Maximum shear force of arch rib and girder /kN

從表3、表4可看出，方案2拱肋、連續(xù)梁彎矩剪力均大于其它方案，其中拱頂及連續(xù)梁中跨跨中截面彎矩及剪力最大為方案4相同截面的3～5倍。方案1、方案3與方案4相比，其內(nèi)力比值范圍為0.77 ～1.29。

4.5 千斤頂張拉力比較

吊桿達到目標索力時各方法所需千斤頂張拉力見圖4。

圖4 千斤頂張拉力比較Fig.4 Jack’s tension comparison

在吊桿張拉及二期恒載作用下，以上方案比較結(jié)果如下:

1)一次張拉法與二次張拉法及多次張拉法相比，雖然吊桿自身拉力與二者初張拉力變化趨勢相似，但其值明顯大于其他張拉法張拉力，且離散程度大，特別是二期恒載在吊桿張拉前施加的情況，其最大張拉力為2 597 kN，較二次張拉法的最大張拉力大2倍。較大張拉力對千斤頂?shù)募虞d要求較高，且對施工人員的加載速率控制有較大難度。

2)二期恒載對梁的應(yīng)力及位移影響較大。經(jīng)計算，若一次張拉中二期恒載在吊桿張拉之前施加，引起梁的位移最大超過10 cm，且部分應(yīng)力已經(jīng)接近設(shè)計允許應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)安全。故建議二期恒載一般安排在吊桿張拉之后施加。

3)采用二次張拉法，吊桿施加的初張拉力及最終張拉力、拱梁內(nèi)力位移總體變化趨勢相對緩和。初始張拉階段吊桿自身內(nèi)力變化趨勢類似一次、多次張拉法，且最終張拉階段的吊桿拉力與多次張拉法階段相近，張拉效果比較好。

4)多次張拉法雖然能達到比較好的效果，但實際施工繁瑣，設(shè)備吊裝周轉(zhuǎn)調(diào)整的次數(shù)較多，調(diào)索周期長，經(jīng)濟成本較大，文獻［7］中亦指出吊桿張拉次數(shù)太多，最終的精度不一定好。

5 結(jié)語

1)吊桿張拉為拱輔梁橋中重要的一道工序，須經(jīng)多種詳細方案比選，以選擇最優(yōu)張拉方案。如不合理的二期恒載施加時機導(dǎo)致對吊桿自身，拱、梁的影響增大2～4倍;再如不合理的張拉順序會導(dǎo)致內(nèi)力變化幅度非常大。

2)通過比選，二次張拉法較其他張拉方法有優(yōu)勢，能較好地保證吊桿自身、拱及梁力學(xué)特性均衡變化。在施工工期緊張，且經(jīng)濟性要求前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮二次張拉法。

3)拱輔梁橋以其自身優(yōu)勢躋身于各種橋型中，發(fā)展前景較大。

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