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行計算，用該結(jié)果指導施工，得出實測索力，將實測值與理論值進行對比分析。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→安裝吊桿并進行第1次張拉→張拉系梁第2批預應(yīng)力束→拆除系梁施工支架→吊桿進行第2次張拉→張拉系梁第4批預應(yīng)力束并安裝行車道板→吊桿進行第3次張拉→張拉系梁第4批鋼束及中橫梁剩余的全部預應(yīng)力束→瀝青鋪裝并安裝護欄等附屬結(jié)構(gòu)。

圖1　某大橋照片

該橋共進行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，每次控制索力嚴格按照設(shè)計要求進行張拉。第1次在泵送完鋼管混凝土之后進行張拉，目標控制索力390 kN；第2次在拆除所有支架后進行，目標控制索力為820 kN;第3次在安裝完橋面板后進行張拉，目標控制索力 1 220 kN。3次張拉結(jié)束后進行橋面混凝土現(xiàn)澆。

2吊桿張拉計算方法

橋梁施工過程按照預先設(shè)定的施工步驟，安全地達到成橋狀態(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到目標控制力。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，將該組索力與目標索力進行對比求出兩者差值,得到最新的安裝索力,再進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

施工單位嚴格按照表1所列的張拉順序及張拉控制力進行施工，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行。完成張拉之后用索力儀對各個吊桿索力進行了測量，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了施工，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與設(shè)計基本吻合，達到了預期的效果，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)，成功地達到了目標索力，從而使結(jié)構(gòu)達到成橋索力，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施工，使張拉結(jié)果達到目標控制力，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，當單元數(shù)量較多時，迭代時間較長。

參考文獻

[1]嚴志剛，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)的預測誤差辨識[J].華南理工大學學報：自然科學版,2013(5):33-34.

收稿日期：2014-11-05

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.006