基于正裝迭代法的系桿拱吊桿張拉索力計算研究分析

徐治華　江　洲

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　510085)

基于正裝迭代法的系桿拱吊桿張拉索力計算研究分析

徐治華江洲

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽510085)

摘要為了研究正裝迭代法在索力計算中的應(yīng)用，文中以某大橋(鋼管混凝土系桿拱橋)的施工監(jiān)控為工程背景，應(yīng)用大型通用有限元軟件Midas/Civil建立有限元模型對該橋進(jìn)行施工階段分析計算。采用正裝迭代法對該橋施工階段4次吊桿張拉的張拉控制力進(jìn)行計算，用該結(jié)果指導(dǎo)施工，得出實測索力，將實測值與理論值進(jìn)行對比分析。研究正裝迭代法在鋼管混凝土系桿拱橋索力計算中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞系桿拱吊桿索力正裝迭代法

系桿拱又可稱為簡支梁拱組合體系。最近幾年，系桿拱尤其是鋼管混凝土拱橋在我國有較大的發(fā)展[1]。拱受壓，梁受彎，這2種構(gòu)件組合起來，使拱和梁各自的特點充分地發(fā)揮出來，用系桿平衡掉拱腳水平推力，從而降低對地基的要求，達(dá)到節(jié)省材料的目的。而在系桿和拱肋施工完畢之后，吊桿張拉是最關(guān)鍵的步驟。吊桿的主要作用是傳遞內(nèi)力，所以，利用數(shù)值方法，根據(jù)施工階段吊桿張拉順序，確定施工中吊桿的張拉控制力，使該階段吊桿施工張拉完畢后，所有吊桿索力均達(dá)到設(shè)計值，吊桿不必要返回張拉調(diào)整，這樣可大量縮短施工時間和節(jié)省施工費(fèi)用。

1工程實例

某大橋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用剛性系梁剛性拱，計算跨徑L=115 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5,矢高23 m。拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土，截面高度為280 cm，每個鋼管外徑120 cm,鋼管及腹板壁厚1.4 cm，內(nèi)充C50微膨脹混凝土；風(fēng)撐采用改良X形撐，由壁厚1.6 cm鋼管焊接而成，全橋共5組；吊桿采用外徑9.3 cm的成品拉索，每片拱肋設(shè)吊桿21根，間距為510 cm。橋梁結(jié)構(gòu)照片見圖1。

施工流程如下：下部基礎(chǔ)施工→支架現(xiàn)澆系梁、橫梁、橋面板→張拉系梁及中橫梁第1批預(yù)應(yīng)力束→拱肋架設(shè)并安裝橫撐→泵送混凝土→安裝吊桿并進(jìn)行第1次張拉→張拉系梁第2批預(yù)應(yīng)力束→拆除系梁施工支架→吊桿進(jìn)行第2次張拉→張拉系梁第4批預(yù)應(yīng)力束并安裝行車道板→吊桿進(jìn)行第3次張拉→張拉系梁第4批鋼束及中橫梁剩余的全部預(yù)應(yīng)力束→瀝青鋪裝并安裝護(hù)欄等附屬結(jié)構(gòu)。

圖1　某大橋照片

該橋共進(jìn)行3次吊桿張拉，每次均應(yīng)對稱張拉，相同編號的4根吊桿應(yīng)同時張拉，每次控制索力嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行張拉。第1次在泵送完鋼管混凝土之后進(jìn)行張拉，目標(biāo)控制索力390 kN；第2次在拆除所有支架后進(jìn)行，目標(biāo)控制索力為820 kN;第3次在安裝完橋面板后進(jìn)行張拉，目標(biāo)控制索力 1 220 kN。3次張拉結(jié)束后進(jìn)行橋面混凝土現(xiàn)澆。

2吊桿張拉計算方法

橋梁施工過程按照預(yù)先設(shè)定的施工步驟，安全地達(dá)到成橋狀態(tài)，且成橋狀態(tài)與理想的成橋狀態(tài)吻合，將該施工過程稱為施工階段合理的設(shè)計狀態(tài)。要達(dá)到合理的成橋吊桿索力，在施工過程中，吊桿要分多次張拉，在這個過程中，結(jié)構(gòu)支承體系的變化，會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布，鋼管混凝土系桿拱橋是一個外部靜定而內(nèi)部高次超靜定的結(jié)構(gòu)，在張拉吊桿的過程中，后張拉的吊桿張拉時會引起已張拉吊桿的索力發(fā)生變化，而已張拉的吊桿也會對后張拉的吊桿的索力產(chǎn)生影響，所以在整個張拉過程中，除了最后張拉的一組吊桿，其他的一直都處于變化的狀態(tài)。所以就需要對施工過程的吊桿張拉控制力進(jìn)行計算，獲取一組張拉索力來保證張拉結(jié)束后，所有的吊桿索力正好達(dá)到目標(biāo)控制力。所以，施工階段關(guān)于吊桿張拉的一個關(guān)鍵問題就是計算吊桿的張拉控制力。而目前普遍采用的方法就是正裝迭代法[2]。本橋也采用此方法。

采用midas civil 2012建立空間有限元模型，進(jìn)行吊桿張拉方案設(shè)計。如圖2所示，全橋共劃分532個節(jié)點，1 378個單元，吊桿采用桁架單元(僅受拉)，其余構(gòu)件采用梁單元模擬[3]。

圖2　有限元模型

正裝法應(yīng)用于吊桿索力計算的基本方法為: 首先假定一組初始索力,然后進(jìn)行一次正裝計算,得到一組成橋狀態(tài)時的索力，將該組索力與目標(biāo)索力進(jìn)行對比求出兩者差值,得到最新的安裝索力,再進(jìn)行新的一輪正裝計算,直至收斂為止。具體步驟如下。

第1步。輸入橋梁結(jié)構(gòu)基本參數(shù)。

第2步。架設(shè)成橋索力為F0，第i次迭代計算時輸入的初始索力為Fi，相應(yīng)的計算結(jié)果索力為F。

第3步。結(jié)合有限元軟件，令Fi=F0進(jìn)行第一次迭代計算，求得吊桿索力F。

本文以第2次吊桿張拉為例，采用正裝迭代法計算張拉控制力，結(jié)果見表1。

表1　吊桿第2次張拉張拉控制力計算結(jié)果

施工單位嚴(yán)格按照表1所列的張拉順序及張拉控制力進(jìn)行施工，每根吊桿均張拉到位，在張拉過程中，其他施工工作均停止進(jìn)行。完成張拉之后用索力儀對各個吊桿索力進(jìn)行了測量，最后得到的實測結(jié)果與理論值對比見表2，圖3。

表2　某大橋?qū)崪y索力與目標(biāo)索力對比

注：1.該橋X，S側(cè)各21根吊桿；2.橋梁縱向?qū)ΨQ吊桿相同編號。

圖3　第二次吊桿張拉索力實測值與理論值對比圖

由表2及圖3可見，某大橋X側(cè)吊桿實測索力比較均勻，與目標(biāo)索力相差不大，誤差均控制在10%以內(nèi)；S側(cè)吊桿實測索力比較均勻，與目標(biāo)索力相差不大，誤差均在10%以內(nèi)，結(jié)果良好。由以上結(jié)果分析得出，該次正裝迭代法計算所得的張拉控制力較好地指導(dǎo)了施工，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與設(shè)計基本吻合，達(dá)到了預(yù)期的效果，結(jié)構(gòu)在該階段施工過程中處于安全狀態(tài)。對于短吊桿，由于其剛度比較大，采用頻率法測試吊桿力，誤差較大，此時測量數(shù)據(jù)不可信，可按實測千斤頂讀數(shù)校驗[4]。

3結(jié)論

(1) 某大橋在4次張拉結(jié)束后，實測值與理論值誤差均控制在10%以內(nèi)，成功地達(dá)到了目標(biāo)索力，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到成橋索力，在張拉過程中，結(jié)構(gòu)實測索力與理論計算索力基本吻合。

(2) 采用正裝迭代法計算的施工階段吊桿張拉控制力能夠很好地指導(dǎo)施工，使張拉結(jié)果達(dá)到目標(biāo)控制力，誤差在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。

(3) 正裝迭代法的迭代次數(shù)較多，當(dāng)單元數(shù)量較多時，迭代時間較長。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)志剛，盛洪飛.鋼管混凝土拱橋的發(fā)展優(yōu)勢[J].東北公路，2002,25 (1):31-33.

[2]朱小秀.正裝迭代法在系桿拱橋吊桿張拉過程中的應(yīng)用[J].城市道橋與防洪,2010(1):49-53.

[3]于琦,孟少平.系桿拱橋吊桿張拉控制有限元模擬方法研究[J].特種結(jié)構(gòu),2008,25(1):88-90.

[4]唐小軍,王道波,唐得志,等.虛擬參考反饋校正控制器參數(shù)的預(yù)測誤差辨識[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2013(5):33-34.

收稿日期：2014-11-05

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.006