梁拱組合橋梁吊桿預(yù)埋件縱向定位對結(jié)構(gòu)受力的影響

宋國映

（中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

吊桿張拉是梁拱組合體系橋梁施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，合理的吊桿受力狀態(tài)不僅使橋梁的受力及線形滿足設(shè)計(jì)要求，也可保證結(jié)構(gòu)承載力具有良好的安全儲備。其中吊桿預(yù)埋件的定位對吊桿張拉精度、吊桿受力狀態(tài)有十分重要的影響[2]。由于梁體施工過程中存在溫度、混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉以及外荷載的影響，梁體本身會產(chǎn)生縱向壓縮或拉伸，導(dǎo)致預(yù)先設(shè)置好的吊桿預(yù)埋件不能與拱肋吊桿錨點(diǎn)完全匹配，即梁體產(chǎn)生縱向和橫向伸縮量導(dǎo)致吊桿受力不能垂直，導(dǎo)致實(shí)際索力與測量索力存在差異，并且使拱肋的產(chǎn)生額外的受力。此外吊桿在梁與拱肋之間產(chǎn)生一定的角度，角度的大小會影響吊桿索力的調(diào)整以及張拉力的大小，同時也不利于吊桿和拱肋的受力，對結(jié)構(gòu)安全造成一定的隱患。

該文以一梁拱組合體系橋梁為研究對象，通過施工過程仿真分析，研究了多組吊桿預(yù)埋件縱向位移變化規(guī)律，分析了吊桿預(yù)埋件糾偏對整個結(jié)構(gòu)體系靜、動力性能的影響，為梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工工藝的改進(jìn)以及吊桿預(yù)埋件的定位提供了參考依據(jù)。

1 工程背景

蘄河特大橋位于湖北省黃岡市蘄春縣境內(nèi)，為連續(xù)梁-鋼管拱組合體系橋梁，跨度布置為（100+196+100）m。采用“先梁后拱”的施工方法，連續(xù)梁部分采用懸臂施工法，鋼管拱肋采用異位拼裝+整體縱移就位施工技術(shù)（圖1）。在連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力張拉過程中，梁體會產(chǎn)生縱向變形[3]。

圖1 鋼管拱異位拼裝+整體縱移施工示意圖（單位：m）

其中吊桿預(yù)埋件需要在連續(xù)梁澆筑過程中預(yù)先設(shè)置，待連續(xù)梁合龍且拱肋就位后進(jìn)行吊桿張拉。為了定量分析吊桿預(yù)埋件縱向偏移對結(jié)構(gòu)體系的影響，需要進(jìn)行吊桿預(yù)埋件偏移量的計(jì)算以及吊桿應(yīng)力計(jì)算分析。

2 吊桿預(yù)埋件偏移量計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立蘄河特大橋施工過程仿真模型，采用空間桿系單元建立結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)算模型（圖2），全橋離散為 1798 個單元，其中梁單元1714個，桁架單元 84個。按照施工方案在施工過程分析中共劃分為114，包括連續(xù)梁懸臂施工、邊跨及中跨合龍、拱肋縱移、吊桿張拉以及二期恒載鋪裝等關(guān)鍵施工過程。

圖2 蘄河特大橋有限元仿真模型

本節(jié)進(jìn)行吊桿預(yù)埋件在成橋后的偏移量計(jì)算。蘄河特大橋拱橋吊桿共20組，1#吊桿距離固定支座最近，距離為12.25 m，20#吊桿距離固定支座最遠(yuǎn)，距離為183.82 m，且各組吊桿等間距布置。成橋后各組吊桿預(yù)埋件在連續(xù)梁成橋后產(chǎn)生不同程度的縱向位移，其中20#吊桿預(yù)埋件的縱向偏移量最大為53.73 mm，如圖3所示。

圖3 吊桿預(yù)埋件縱向變位計(jì)算

吊桿在預(yù)應(yīng)力張拉后的縱向偏移量與其距固定支座的距離可以為線性關(guān)系，使用線性插值計(jì)算預(yù)埋件的偏移量得到的最大偏差不超過4 mm，如圖4所示。

圖4 縱向偏移計(jì)算殘差

以上分析表明，連續(xù)梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉對吊桿預(yù)埋件的縱向定位產(chǎn)生顯著影響，距離固定支座越遠(yuǎn)，吊桿預(yù)埋件偏離設(shè)計(jì)位置的程度所受到的影響越大。后續(xù)吊桿預(yù)埋件糾偏可按照線形插值的方法計(jì)算各組吊桿的縱向偏移量，理論誤差不大于4 mm。

3 吊桿預(yù)埋件縱向偏移對結(jié)構(gòu)靜力特征的影響

3.1 吊桿應(yīng)力影響分析

如果不考慮預(yù)埋件的縱向糾偏量，吊桿在成橋后為斜向受力，對吊桿受力就可能會產(chǎn)生不利影響。為了分析預(yù)埋件縱向糾偏后吊桿的受力狀態(tài)，定義2種計(jì)算工況：1）工況1，對吊桿預(yù)埋件糾偏，使吊桿在梁體張拉后為豎直方向。2）工況2，不考慮梁體張拉的縱向變形，按照設(shè)計(jì)位置布置吊桿預(yù)埋件。

根據(jù)有限元施工過程仿真計(jì)算模型，分別計(jì)算工況1、工況2各個施工階段下吊桿的內(nèi)力，篩選出施工階段內(nèi)吊桿內(nèi)力的最大值，結(jié)果見表1。

表1 不同工況下吊桿最大內(nèi)力對比

計(jì)算結(jié)果表明，吊桿預(yù)埋件糾偏后對吊桿的軸力和彎矩都會產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)2種工況下吊桿的最大內(nèi)力計(jì)算相應(yīng)的吊桿最大應(yīng)力，將工況2計(jì)算的吊桿應(yīng)力減工況1計(jì)算的吊桿應(yīng)力，應(yīng)力之差的計(jì)算結(jié)果如圖5所示，表明對吊桿預(yù)埋件進(jìn)行糾偏后，能夠一定程度上降低吊桿的應(yīng)力。糾偏后20#吊桿的應(yīng)力可降低13 MPa。

圖5 工況2與工況1吊桿應(yīng)力之差

3.2 拱肋應(yīng)力影響分析

吊桿拉力最終通過拱肋傳遞到拱腳，因此吊桿的受力狀態(tài)必定會影響到拱肋的受力狀態(tài)，需要對拱肋的應(yīng)力狀態(tài)展開分析。在成橋階段，選取固定支座拱腳、1/4斷面、1/2斷面、3/4斷面及活動支座拱腳位置進(jìn)行成橋階段拱肋應(yīng)力分析，將每個斷面上緣和下緣兩個位置的應(yīng)力進(jìn)行對比，見表2。

根據(jù)表2，對比活動支座拱腳位置的拱肋應(yīng)力計(jì)算值，工況1與工況2拱肋的最大應(yīng)力相差9.7 MPa，其他位置的拱肋應(yīng)力最大不超過2.1 MPa。這是因?yàn)榛顒又ё澳_附近的吊桿預(yù)埋件縱向偏差最大，糾偏后對活動支座位置的拱腳應(yīng)力產(chǎn)生的影響較大。總體看來，工況1與工況2下的拱肋受力差別不大，對拱肋的安全性影響較小。

表2 不同工況下拱肋應(yīng)力對比（單位：MPa）

3.3 主梁應(yīng)力影響分析

吊桿張拉力的變化會影響到梁體的受力，導(dǎo)致梁體應(yīng)力產(chǎn)生差異，可能導(dǎo)致實(shí)際成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)存在差異，需要分析2種工況下梁體應(yīng)力變化。通過施工階段仿真分析，提取成橋后工況1、工況2的2種工況下的梁體應(yīng)力，見表3。

表3 成橋后不同工況下梁體應(yīng)力對比（單位：MPa）

根據(jù)梁體應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，工況1與工況2兩種工況下的主梁最大應(yīng)力相差0.12 MPa，位于邊跨支座位置。結(jié)合其他截面位置來看，主梁在2種工況下的應(yīng)力差別不大，表明吊桿預(yù)埋件的縱向糾偏對主梁的安全性影響可以忽略。

4 吊桿預(yù)埋件縱向偏移對結(jié)構(gòu)動力性能的影響

橋梁的動力性能是橋梁設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)指標(biāo)，其中主要包括自振頻率和振型，二者對橋梁的抗震性能、車橋振動都要重要的影響[4]，需要分析吊桿預(yù)埋件縱向偏移對結(jié)構(gòu)動力特習(xí)慣帶來的影響。本節(jié)比較吊桿預(yù)偏件糾偏（工況1）與不糾偏（工況2）兩種工況下的橋梁動力性能的差異性，利用MIDAS模態(tài)分析程序計(jì)算成橋的模態(tài)參數(shù)，其中橋梁的自振頻率計(jì)算結(jié)果見表4，梁體振型如圖6所示。

圖6 前六階振型特征（單位：s）

對比表4中2種工況下結(jié)構(gòu)的自振頻率，2種工況下的前6階自振頻率和振型特征幾乎一致，表明該橋梁的吊桿預(yù)埋件糾偏對結(jié)構(gòu)的動力性能沒有產(chǎn)生較大影響。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中一般考慮低價(jià)振型，列車對橋梁的沖擊系數(shù)通?？紤]基頻，因此可以不需要考慮吊桿預(yù)埋件定位誤差對橋梁運(yùn)營期間動力性能的影響。

表4 不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率

5 結(jié)論

橋梁在施工過程中的縱向位移會引起吊桿預(yù)埋件的縱向偏差。在吊桿預(yù)埋件縱向糾偏過程中，預(yù)埋件糾偏量與其距離固定支座的距離成正比，采用線性插值的方法計(jì)算多組吊桿預(yù)埋件縱向偏移量能夠保證較好的精度。

梁體縱向張拉后，根據(jù)設(shè)計(jì)位置，按照各個吊桿預(yù)埋件時會產(chǎn)生一定程度的縱向偏差，可根據(jù)梁體縱向變形計(jì)算吊桿預(yù)埋件的縱向糾偏量。對吊桿預(yù)埋件糾偏后可改善吊桿受力，對結(jié)構(gòu)有利，在施工過程中應(yīng)該予以重視。

吊桿預(yù)埋件產(chǎn)生偏移后，無論是否采用糾偏措施，均不會對結(jié)構(gòu)主體的靜力、動力產(chǎn)生較大影響，因此在制定橋梁吊桿預(yù)埋件糾偏方案時重點(diǎn)分析對吊桿應(yīng)力的影響即可。