V型剛構(gòu)連續(xù)梁組合拱橋吊桿張拉過程仿真分析研究

李子奇，樊燕燕，白家風

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.蘭州交大工程咨詢有限責任公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

V型剛構(gòu)連續(xù)梁組合拱橋具有造型活潑、美觀、富有動感的特點,橋梁景觀效果較好,結(jié)構(gòu)兼具有梁橋和拱橋的特點。梁拱組合結(jié)構(gòu)有效的提高了橋梁的跨越能力，已成為目前比較流行的一種橋型[1]。V型剛構(gòu)連續(xù)梁組合拱橋結(jié)構(gòu)的拱結(jié)構(gòu)一般采用鋼管混凝土系桿拱，主要由鋼管混凝土主拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和吊桿三部分組成，主梁彈性支撐于吊桿上，并通過吊桿傳遞給主拱肋，主拱肋主要承壓，產(chǎn)生向外的水平推力，此推力可與預(yù)應(yīng)力混凝土主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力來達到平衡，形成自平衡體系[2]。拱肋、主梁和吊桿之間相互制約、依存關(guān)系，各部件在施工過程中相互影響，因此，在設(shè)計和施工中須綜合各因素，使拱橋受力達到最佳。在橋梁施工過程中，系桿的張拉過程和張拉力控制直接影響吊桿的成橋索力合理性。

吊桿在使用荷載作用下是一根軸心受拉構(gòu)件，可用預(yù)應(yīng)力高強鋼絲束或鋼絞線作為吊桿，這種吊桿不能受壓只承受拉力，一般稱之為柔性吊桿。吊桿張拉施工程序是較為麻煩的，其施工控制也是比較困難的，因為柔性吊桿的預(yù)應(yīng)力施工對于由拱肋、系桿及吊桿組裝而成的組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形有著很大的影響。吊桿力張拉如果采取分批多級的方法，即隨著結(jié)構(gòu)荷載的不斷增加，多次分階段張拉吊桿鋼束，最后達到設(shè)計張拉力，同時不同的張拉次序也對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響[3]。這樣勢必加大施工難度及周期，給內(nèi)力及變形控制帶來一定難度，而且由于吊桿鋼束反復(fù)多次張拉，對最終吊桿力大小控制有更高的要求[4]。如果采用分批一級張拉到設(shè)計力的方法，可以大大的縮短張拉周期，而且也減少吊桿力的控制工作，可以提高最終成橋索力控制的精度，但是分批一級張拉拱肋和主梁的變形和應(yīng)力變化要大于分批多級張拉。因此，在實際工程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的條件、張拉設(shè)備及施工工期等因素，綜合考慮吊桿的張拉施工。

本文通過對年楚河特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用60 m+148 m+60 m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)吊桿張拉過程進行仿真模擬分析，確定了綜合考慮現(xiàn)場的條件、張拉設(shè)備及施工工期等因素下的該橋的實際張拉施工過程。

1 工程概況

年楚河特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用60 m+148 m+60 m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)，拱肋采用1.8次拋物線，計算跨度134 m，矢高39.3 m，矢跨比1/3.4，拱肋橫向間距7.6 m，拱肋采用變高度啞鈴型截面。兩榀拱肋間共設(shè)7道橫撐，拱頂處一道橫撐為l字形，其余六道為K字形，橫撐均為空鋼管組成的桁架結(jié)構(gòu)。

全橋共設(shè)13對吊桿，吊桿采用雙吊桿形式，中心間距均為8m，每處吊桿均由雙根73絲φ7mm的平行鋼絲束組成，吊桿之間縱向間距60 cm。為防止人為破壞，在距梁頂3m范圍內(nèi)，于吊桿PE護套外，加設(shè)0.8 mm厚的平銹鋼管予以防護。吊桿的張拉端位于拱肋上端。

V墩外側(cè)斜腿與豎直面夾角為54°，內(nèi)側(cè)斜腿與豎直面夾角為42.8°，截面采用矩形實心截面，橫橋向?qū)?.7 m，厚度各為2 m，斜腿根部與梁底面設(shè)圓弧倒角平順相接。V構(gòu)底部至梁頂高11 m，V墩底部設(shè)支座。

主梁采用C55混凝土，單箱單室直腹板截面，主跨跨中80 m及邊跨端部24.85 m范圍內(nèi)梁高為3 m，V墩兩斜腿支撐處梁高為4.6 m，梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂面寬10.7 m，底面寬6.8 m，箱梁頂板厚40～60 cm，腹板厚50～120 cm；主梁在V構(gòu)內(nèi)部梁高按圓弧變化，最小梁高為3.2 m。

主橋部分橋面板寬10.7m，兩側(cè)人行道寬各為1.05 m。欄桿柱尺寸為25 cm×15 cm，待主梁施工、安裝就位后，現(xiàn)場澆注每隔4 m設(shè)2 cm斷縫以油毛氈填塞。與簡支梁人行道銜接處于梁端橫向設(shè)置2m人行道欄[5]。年楚河特大橋立面見圖1。

圖1 年楚河特大橋立面圖（單位：m）

2 計算模型

采用MIDASCivil 2012軟件對年楚河特大橋主橋吊桿張拉過程進行模擬計算[4-5]，吊索的張拉順序是通過軟件里的激活、鈍化功能實現(xiàn)的。主梁、拱離散為梁單元，吊桿離散為只受拉桿單元，主梁的支架采用只受壓的桿單元模擬；V構(gòu)和主梁采用剛性連接。年楚河特大橋主橋有限元模型見圖2。

3 吊桿張拉順序及仿真計算工況

3.1 吊桿張拉順序

楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)橋采用先梁后拱的施工方法，在主梁和拱肋施工完成，拱肋混凝土達到設(shè)計強度后對吊桿進行張拉。吊桿編號從小里程向大里程依次編號1#～13#，跨中吊桿編號為7#吊桿，吊桿張拉順序和張拉力值見表1和圖3。

圖2 年楚河特大橋主橋有限元模型

表1 年楚河特大橋吊桿張拉順序和張拉力值

圖3 年楚河特大橋吊桿張拉順序和張拉力值

3.2 仿真計算工況

根據(jù)年楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)橋的設(shè)計吊桿張拉順序，本次按2個工況進行仿真模擬計算分析。

工況1：按照設(shè)計的張拉順序采用一級張拉到設(shè)計力值；

工況2：按章設(shè)計的張拉順序采用二級張拉，第一級張拉設(shè)計力值的30%，第二級再張拉到設(shè)計力值。

4 計算結(jié)果及分析

數(shù)值模擬計算分析的結(jié)果見表2、表3。

從表2、表3可知：

（1）在兩種張拉工況下，采用一級張拉的施工過程要比分兩級張拉梁體最大的變形大0.8 mm，但兩種工況下拱肋變形基本沒有變化。

（2）在兩種張拉工況下，采用一級張拉的施工過程要比分兩級張拉梁體最大的應(yīng)力大0.6 MPa，但兩種工況下拱肋應(yīng)力基本沒有變化。

表2 吊桿張拉主梁未拆架前截面變形

表3 吊桿張拉主梁未拆架前截面應(yīng)力

5 結(jié)論

由上述的數(shù)值模擬計算分析結(jié)果來看，年楚河特大橋主橋60 m+148 m+60 m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)橋吊桿在兩種張拉施工工況預(yù)應(yīng)力混凝土主梁和鋼管混凝土拱肋的變形和應(yīng)力都偏差較小，主要是由于該橋的吊桿張拉力設(shè)計值較小，最大的張力設(shè)計力值7#吊桿為750 kN。同時預(yù)應(yīng)力混凝土主梁和鋼管混凝土拱肋剛度較大，張拉某一吊桿時對鄰近的吊桿力的影響較小，可以忽略不計。因此，該橋兩種張拉工況都能滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。但綜合考慮該橋的實際情況和工期的要求，采用一級張拉到設(shè)計值的張拉方法進行施工。

[1]劉兆豐.V型剛構(gòu)組合拱橋的梁格分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012，12（31）：8465-8468.

[2]尹明.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿施工張拉力計算 [J].公路工程，2010，35（2）：101-103.

[3]虞建成，葉政權(quán).泰州大橋系桿拱預(yù)應(yīng)力剛性吊桿一次張拉模型試驗研究[J].公路交通科技，2000，17（6）：41-44.

[4]楚海建，何結(jié)兵，顧愛軍，等.系桿拱橋吊桿一次張拉方案的優(yōu)化設(shè)計[J].華東公路，2002，134（1）：46-48.

[5]肖艷斌.V型剛構(gòu)連續(xù)梁組合拱橋施工過程結(jié)構(gòu)受力分析[J].城市道橋與防洪，2013（10）：69-71.