鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控與索力張拉優(yōu)化

劉治勇

摘要：以新建龍煙鐵路跨213省道大橋鋼管混凝土簡支系桿拱為工程背景，采用有限元進行了全橋施工階段的模擬分析，給出了主梁、拱肋的預拱度。通過對吊桿的3種不同的張拉順序方案進行比較，指出間隔式分批對稱張拉較為合理，計算得到該方案下吊桿的初始張拉力和主要施工階段的吊桿內(nèi)力值，并對主梁施工方案進行了概述。

關(guān)鍵詞：系桿拱；施工模擬分析；預拱度；張拉順序

中圖分類號：U448.22文獻標志碼：B

0引言

新建龍煙鐵路跨213省道大橋1～80 m鋼管混凝土簡支系桿拱起訖里程為DK047+360.65～DK047+443.95，與213省道公路交叉里程為DK047+404.75，鐵路線路與213省道公路線路的夾角為41°16′4″，橋下213省道公路下穿通行。

該系桿拱橋下部結(jié)構(gòu)為鉆孔樁、承臺、圓端形墩柱，每個墩下采用11根直徑1.25 m、長16 m的鉆孔樁，承臺為12.3 m×8.2 m×2.5 m長方體，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土實心墩。橋梁結(jié)構(gòu)形式為簡支梁拱組合結(jié)構(gòu)，箱梁總長度為83 m，計算跨徑取800 m。主梁截面形式為單箱雙室，拱肋截面形式則為啞鈴形，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。拱肋矢高16 m，矢跨比1/5。拱軸線采用懸鏈線，拱肋上下兩鋼管中心距為15 m，拱肋截面全高2.3 m，橫向中心距為69 m。全橋共設置14對吊桿，第一根吊桿至拱腳的距離為7.5 m，其余吊桿中心相互間距均為50 m。

1施工監(jiān)控有限元分析

1.1有限元計算模型

采用有限元軟件MIDAS CIVIL對該鋼管混凝土系桿拱橋的施工階段進行模擬計算。在建立模型的過程中對實際橋梁結(jié)構(gòu)進行了簡化，但并不影響計算的準確性[13]。主梁和拱肋均采用梁單元模擬，吊桿用只受拉索單元進行模擬。計算模型節(jié)點總數(shù)為110個，梁單元為55個，只受拉索單元為14個。其中，將拱肋截面由原來的雙材料鋼管混凝土啞鈴形截面換算為單一材料的混凝土矩形截面。根據(jù)施工圖紙并結(jié)合該橋?qū)嶋H情況，考慮包括自重、預應力等所有施工階段荷載，建立全橋有限元模型，對該橋的施工階段進行了正裝分析，得到各施工階段結(jié)構(gòu)的變形和應力狀態(tài)。該系桿拱橋單元劃分如圖1所示。

圖1單元劃分

1.2有限元計算結(jié)果

1.2.1施工階段累計位移計算結(jié)果

根據(jù)有限元分析結(jié)果，可得主要施工階段結(jié)構(gòu)的累計位移值及結(jié)構(gòu)變形圖，成橋階段主梁、拱肋累計位移如圖2、3所示。

圖2主梁累計位移

圖3拱肋累計位移

1.2.2預拱度計算結(jié)果

根據(jù)施工階段累計位移計算結(jié)果，計算出主梁、拱肋的預拱度 （相對于設計標高），分別如表1、2所示。

表1主梁預拱度計算m

X坐標/m收縮徐變1 500 d位移活載豎向最大位移不考慮支架變形預拱度預計支架變形考慮支架變形的預拱度備注

1.500000左支座

9.0-0.000 8-0.002 70.002 15-0.0080.010 151#吊桿

14.0-0.004 5-0.004 80.006 90-0.0080.014 902#吊桿

19.0-0.009 6-0.006 70.012 95-0.0080.020 953#吊桿

24.0-0.015 0-0.008 40.019 20-0.0080.027 204#吊桿

29.0-0.019 9-0.009 60.024 70-0.0080.032 705#吊桿

34.0-0.023 6-0.010 60.028 90-0.0080.036 906#吊桿

39.0-0.025 6-0.011 00.031 10-0.0080.039 107#吊桿

44.0-0.025 6-0.011 00.031 10-0.0080.039 107#吊桿

49.0-0.023 7-0.010 60.029 00-0.0080.037 006#吊桿

54.0-0.020 0-0.009 60.024 80-0.0080.032 805#吊桿

59.0-0.015 1-0.008 40.019 30-0.0080.027 304#吊桿

64.0-0.009 7-0.006 70.013 05-0.00833#吊桿

69.0-0.004 6-0.004 80.007 00-0.0080.015 002#吊桿

74.0-0.000 9-0.002 70.002 25-0.0080.010 251#吊桿

81.500000右支座

2吊桿張拉順序優(yōu)化分析與施工階段內(nèi)力計算

2.1吊桿張拉順序優(yōu)化分析

由于不同拱橋結(jié)構(gòu)均具有相應的最佳線形和最優(yōu)受力狀態(tài)，因此，施工時吊桿張拉順序及對應的施工張拉力分析和優(yōu)化就顯得尤為重要。通常吊桿初始張拉力的計算都采用試算法，但這種方法計算繁瑣，施工參數(shù)計算應用適應性不強。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員結(jié)合有限元軟件，將力學或者數(shù)學模型理論應用到實際計算中，求得吊桿的張拉順序及對應的施工張拉力，為吊桿施工技術(shù)的應用提供了良好的理論依據(jù)。其中，倒退分析法被廣泛應用于該類橋梁吊桿的初始張拉力計算，它以成

表2拱肋預拱度計算m

X坐標/m收縮徐變1 500 d位移活載豎向最大位移不考慮支架變形預拱度預計支架變形考慮支架變形的預拱度備注

1.500000左支座

9.0-0.001 5-0.003 20.004 7-0.0080.012 71#吊桿endprint

14.0-0.003 7-0.004 20.007 9-0.0080.015 92#吊桿

19.0-0.006 4-0.004 40.010 8-0.0080.018 83#吊桿

24.0-0.009 0-0.004 20.013 2-0.0080.021 24#吊桿

29.0-0.011 1-0.003 60.014 7-0.0080.022 75#吊桿

34.0-0.012 6-0.002 80.015 4-0.0080.023 46#吊桿

39.0-0.013 3-0.002 00.015 3-0.0080.023 37#吊桿

44.0-0.013 3-0.002 00.015 3-0.0080.023 37#吊桿

49.0-0.012 5-0.002 80.015 3-0.0080.023 36#吊桿

54.0-0.011 0-0.003 60.014 6-0.0080.022 65#吊桿

59.0-0.008 9-0.004 20.013 1-0.0080.021 14#吊桿

64.0-0.006 3-0.004 40.010 7-0.0080.018 73#吊桿

69.0-0.003 6-0.004 20.007 8-0.0080.015 82#吊桿

74.0-0.001 4-0.003 20.004 6-0.0080.012 61#吊桿

81.500000右支座

橋后的合理受力狀態(tài)為基礎(chǔ)，按逆作施工順序進行倒拆計算，得到全部吊桿的初始張拉力值，再將這些值按照順作施工階段賦予吊桿。經(jīng)計算分析可知，可以以主梁和拱肋的彎矩值作為控制參數(shù)，優(yōu)選合理的張拉順序，為吊桿施工工作提供技術(shù)保障[37]。

本文給出3種吊桿的張拉順序方案，通過分析比較3種方案下每個施工階段拱肋控制關(guān)鍵截面的應力大小，得出最優(yōu)方案。

方案一：同時從兩邊拱腳附近的吊桿向拱頂依次分批對稱張拉，張拉順序為：1#→2#→3#→4#→5#→6#→7#。

方案二：同時從拱頂?shù)絻蛇吂澳_依次分批對稱張拉，張拉順序為：7#→6#→5#→4#→3#→2#→1#。

方案三：間隔式分批對稱張拉，張拉順序為：6#→4#→2#→7#→5#→3#→1#。

通過有限元施工計算分析，得出3個方案下主要施工階段拱肋關(guān)鍵控制截面處上下緣的應力。本文給出了拱腳和拱頂附近應力值隨施工過程的變化曲線，如圖4、5所示。

圖4拱腳附近管內(nèi)混凝土上緣應力變化曲線

圖5拱頂附近管內(nèi)混凝土下緣應力變化曲線

3個方案相比較，如采用方案1和方案2的張拉順序，拱腳附近管內(nèi)混凝土的上緣均出現(xiàn)拉應力，其中從兩邊拱腳到拱頂對稱張拉（即方案一），最大拉應力達到2.5 MPa，而方案三拱腳上緣沒有拉應力出現(xiàn)；方案一和方案二的張拉順序引起拱頂附近管內(nèi)混凝土的下緣均出現(xiàn)拉應力，其中最大為2.2 MPa。拉應力的出現(xiàn)容易導致混凝土開裂。綜合考慮，方案三的張拉順序比較合理。

2.2施工階段吊桿內(nèi)力計算結(jié)果

通過吊桿張拉順序的優(yōu)化分析，確定方案三為吊桿的張拉順序，即張拉順序為：6#→4#→2#→7#→5#→3#→1#，通過倒裝分析得出吊桿的初始張拉力，如表3所示。表4給出了主要施工階段吊

表3吊桿初始張拉力kN

吊桿編號1#2#3#4#5#6#7#

初始張拉力550500400500300400300

表4吊桿內(nèi)力值kN

吊桿編號張拉吊桿6張拉吊桿4張拉吊桿2張拉吊桿7張拉吊桿5張拉吊桿3張拉吊桿1拆除系梁支架二期恒載

1#531550609

2#477479475459446503599

3#383375467591

4#478467461449436432554697

5#286277277421581

6#372358357335321317318478645

7#274260258259427599

桿內(nèi)力的計算結(jié)果。

3箱形主梁總體施工方案

3.1混凝土施工方案

一次完成澆筑，澆筑順序為：縱向混凝土先從中間向兩端進行，先澆筑梁體C55混凝土，再澆筑端部9.0 m的C55補償混凝土；橫向從下往上依次澆筑。為了防止空氣滯留，致使梁體混凝土存在空隙，應嚴格控制混凝土的澆筑順序、澆筑層厚和振搗時間。

澆筑混凝土進行振搗時，要保證波紋管不發(fā)生任何位移，特別是不能上浮，確保后期預應力張拉達到預期效果。應特別注意預埋件的施工，確保梁體混凝土澆筑前完成所有預埋件安裝，并保證位置正確。此外，混凝土澆筑應避開溫度較高的時間段，一般應在夜間進行施工。

現(xiàn)場取樣測定的混凝土坍落度與施工要求的坍落度（16～20 cm）誤差范圍宜控制在±2 cm內(nèi)。不合格的混凝土不得在該工程上使用，確保施工和后期運營的安全。

3.2預應力筋張拉方案

采用先橫向、再縱向、后豎向的張拉順序。在實際張拉前應檢查孔道曲線，以及張拉設備是否安裝正確，錨具和千斤頂否保持在一條直線，以避免發(fā)生偏心受拉。張拉程序為：0→10%～20%σcon→σcon→ 持荷5 min。然后，校核錨下張拉控制應力，主油缸回油錨固，副油缸供油卸千斤頂。

4結(jié)語

本文對新建龍煙鐵路跨省道213大橋（1～80 m）系桿拱橋進行了全橋施工階段模擬分析和吊桿張拉順序優(yōu)化分析，得到以下結(jié)論。

（1） 得到各主要施工階段結(jié)構(gòu)的最大、最小累計位移值及結(jié)構(gòu)變形圖，為施工監(jiān)控提供了理論依據(jù)。

（2） 計算了主梁、拱肋的預拱度 （相對于設計標高），保證了成橋后橋梁線形滿足設計要求。

（3） 通過對吊桿3種不同的張拉順序方案進行分析比較，發(fā)現(xiàn)間隔式分批對稱張拉較為合理，并計算得到該方案下主要施工階段吊桿的初始張拉力和內(nèi)力值。

（4） 通過比較施工方案，確定該鋼管混凝土簡支系桿拱橋采用鋼筋一次綁扎、一次澆筑的總體施工方案。

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[責任編輯：譚忠華]endprint