下承式系桿拱橋吊桿張拉控制分析

鄒仕奇

(中交三公局第二工程有限公司， 天津 100124)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，系桿拱橋在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。隨著泵送混凝土技術(shù)，應(yīng)力技術(shù)以及各種施工工藝的發(fā)展，系桿拱橋以其跨越能力大、承載力高、空間用率高、節(jié)省材料、造價(jià)低和外形流暢美觀等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代城市橋梁發(fā)展的方向。系桿拱橋是一種由系梁、拱肋與吊桿組成的外部靜定、內(nèi)部超靜定的梁拱組合體系，集拱與梁的優(yōu)點(diǎn)于一身，將拱與梁2種基本結(jié)構(gòu)形式組合在一起，共同承受荷載，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用，支座不受拱的水平推力，橋梁建筑高度低，跨越能力大，已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，系桿拱橋中的吊桿一般可做成剛性吊桿或柔性吊桿兩種形式。

1 工程概況

先鋒橋橋跨布置為5×20+90+7×20，主橋采用1孔90m下承式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土系桿拱，計(jì)算跨徑為90.3m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5，矢高18.06m。橋面寬度：2.0m（人行道）+12m（機(jī)非混合車道）+2m（人行道）=16m，橋面結(jié)構(gòu)由拱肋、風(fēng)撐、系桿、中橫梁、端橫梁、吊桿、行車道板組成。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—1級(jí)。

全橋共設(shè)2×17根吊桿，間距為5m，對(duì)應(yīng)吊桿間設(shè)橫梁，吊桿索體采用ψ7-61高強(qiáng)鋼絲，吊桿采用7-61型冷鑄錨,跨中向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行安裝，自左向右編號(hào)為1-17#，安裝順序?yàn)椋?-7（11）-5（13）-3（15）-1（17）-8（10）-6（12）-4（14）-2（16）。鋼材：彈性模量：E=2.05×105MPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7850kg/m3；C50混凝土：彈性模量：E=3.45×104MPa；泊松比μ=0.2；密度ρ=2600kg/m3；fcd=22.4MPa；ftd=1.83MPa；重力加速度：9.81m/s2。

2 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備--拆除原橋上部結(jié)構(gòu)—搭設(shè)系桿、拱腳支架—預(yù)制全橋預(yù)制構(gòu)件—現(xiàn)澆端橫梁—1次澆筑拱腳--張拉端橫梁全部預(yù)應(yīng)力束—現(xiàn)澆系桿—張拉系桿第一批預(yù)應(yīng)力束—2次澆筑拱腳—吊裝第1批中橫梁—張拉中橫梁第2批預(yù)應(yīng)力束—搭設(shè)拱肋吊裝支架—吊裝拱肋、風(fēng)撐—張拉系桿第2批預(yù)應(yīng)力束—安裝吊桿—張拉吊桿第1批張拉力—吊裝剩余中橫梁—張拉中橫梁第第2批預(yù)應(yīng)力束—安裝行車道板—張拉中橫梁第3批預(yù)應(yīng)力束—安裝人行道板—張拉吊桿第2批預(yù)應(yīng)力束—現(xiàn)澆橋面及橋面附屬工程。

3 有限元模型

計(jì)算采用大型通用有限元程序建立拱橋系桿下?lián)?、整體頂升糾偏受力模型。通過(guò)建立三維實(shí)體單元模型，對(duì)拱橋系桿下?lián)稀㈨斏m偏措施進(jìn)行仿真模擬。全橋共劃分10820個(gè)C3D8R單元（含支座）。拱橋內(nèi)部屬于超靜定，外部為簡(jiǎn)支受力體系，模型中5號(hào)墩支座約束約束x、y方向平動(dòng)自由度，6號(hào)墩約束其x、y和z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。拱肋系桿有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 拱肋系桿有限元模型

表1 S11方向（水平向）最大拉壓應(yīng)力

表2 U2位移（豎向）最大下?lián)现?/p>

根據(jù)以上分析可知，系桿經(jīng)過(guò)三次分級(jí)頂升后，基本上能夠恢復(fù)原設(shè)計(jì)標(biāo)高，但系桿局部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為0.95MPa，滿足規(guī)范要求。

4 吊桿試張拉應(yīng)力與線形檢測(cè)

首先，吊桿張拉前提是保證結(jié)構(gòu)安全，在張拉吊桿時(shí)，張拉前后要保證吊桿索力在安全范圍，不能超出一定的安全系數(shù)，系桿和拱肋應(yīng)力均須在安全范圍。其次，吊桿張拉應(yīng)遵循可靠的方法。由于拱肋和系桿畢竟剛度有限，張拉某一根吊桿時(shí)，拱肋和系桿發(fā)生一定位移，附近吊桿索力也會(huì)發(fā)生改變。張拉某根吊桿對(duì)相鄰吊桿內(nèi)力的影響最大，同時(shí)對(duì)全橋其他已張拉吊桿的索力均有不同程度的影響，可謂“拉一索而動(dòng)全索”。通過(guò)大量的實(shí)際工程證明，這種影響存在明顯的非線性特征，這也給吊桿張拉或調(diào)整的施工控制帶來(lái)了一定的困難。因此，張拉時(shí)不能隨意張拉，否則可能導(dǎo)致索力混亂，增大張拉的困難。因此，應(yīng)該尋找到一套可靠的索力張拉方法。

經(jīng)過(guò)吊桿張拉，拱肋跨中截面下緣及拱腳截面上緣均有一定的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)1.8MPa，小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65MPa。

整個(gè)張拉過(guò)程中拱肋變形量不大，最大17mm，但左右側(cè)拱肋的變形對(duì)稱性稍欠缺，這是由于拱肋采用全站儀測(cè)試相對(duì)變形量，每次儀器布設(shè)位置、環(huán)境溫度等對(duì)測(cè)量結(jié)果也帶來(lái)一定的誤差。

經(jīng)過(guò)三輪張拉及部分吊桿補(bǔ)張拉，系梁截面上下緣應(yīng)力較張拉前均有較大的改觀，除7#截面外，其余截面應(yīng)力分布基本還可以接受。7#截面下緣實(shí)測(cè)拉應(yīng)力由張拉前的5.3MPa變化至現(xiàn)有的0.7MPa，上緣壓應(yīng)力也有較大的減小，7-1由張拉前-25.6MPa減小到目前的-18.3MPa，7-2由張拉前-29.7MPa減小到目前的-22.4MPa。目前實(shí)測(cè)上緣壓應(yīng)力最大-22.4MPa，仍然偏大。

通過(guò)吊桿張拉及部分吊桿補(bǔ)張拉，系梁截面應(yīng)力分布較張拉前較大改觀，拱肋截面應(yīng)力分布也較為合理，張拉后對(duì)系梁外觀進(jìn)行調(diào)查，張拉過(guò)程中未見明顯病害發(fā)生。

5 結(jié)論

本文通過(guò)錫澄運(yùn)河航道整治工程橋梁項(xiàng)目看出，其采用大型通用有限元程序建立拱橋系桿下?lián)?、整體頂升糾偏受力三維實(shí)體單元模型，對(duì)拱橋系桿下?lián)稀㈨斏m偏措施進(jìn)行仿真模擬，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)三次分級(jí)頂升糾偏，系桿高程基本能達(dá)到設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。但局部會(huì)差生最大為0.95 MPa的拉應(yīng)力；

（2）建議沒計(jì)頂升糾偏應(yīng)持荷一定時(shí)間，經(jīng)應(yīng)力觀測(cè)一段時(shí)間且滿足要求后才可進(jìn)行下一級(jí)頂升，期間應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)；

（3）頂升過(guò)程中，系桿底部拉應(yīng)力應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，可適當(dāng)加大荷載，作為對(duì)后續(xù)工序荷載的應(yīng)力儲(chǔ)備；

（4）系梁截面應(yīng)力除7#截面外，其余截面應(yīng)力分布基本合理，未出現(xiàn)超限拉壓應(yīng)力情況。

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