朱小秀

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳518029）

1 吊桿張拉計算方法研究現(xiàn)狀與工程背景

在施工中，吊桿需要分批張拉，一次僅張拉幾根，前期張拉的吊桿力直接影響后期吊桿張拉力，而后期張拉吊桿亦對先期施工的吊桿的束力有著直接影響，最終影響全部吊桿張拉完畢后結(jié)構(gòu)受力性能，若吊桿達(dá)不到滿足控制條件的內(nèi)力狀態(tài)，勢必進(jìn)一步對各吊桿進(jìn)行束力的調(diào)整，這是非常煩瑣的事情。因此，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]。

對于一般吊桿張拉結(jié)構(gòu)而言，吊桿張拉過程可分為兩個階段：第一階段稱為脫架階段，即通過吊桿的張拉使橋道結(jié)構(gòu)脫離支架，結(jié)構(gòu)體系基本形成，由于吊桿在后續(xù)階段還需繼續(xù)張拉，因此對該階段的張拉精度要求稍低，但是其張拉過程卻很復(fù)雜，比如張拉過程中結(jié)構(gòu)體系在不斷變化，橋道結(jié)構(gòu)與臨時支架間的狀態(tài)在接觸與脫離之間不斷轉(zhuǎn)換等等，因此該階段的張拉過程實際上是非線性即狀態(tài)非線性。當(dāng)該過程的非線性程度較低時，采用線性的調(diào)索方法也是可行的，誤差不會偏差太大；但當(dāng)非線性程度較高時，線性的調(diào)索方法自身會帶來較大的系統(tǒng)誤差，計算索力與目標(biāo)索力偏差過大，不利于指導(dǎo)施工。由于結(jié)構(gòu)脫架以后其基本體系已經(jīng)形成，結(jié)構(gòu)體系一般處于線性狀態(tài)，因此采用線性的調(diào)索方法一般均可滿足計算要求，該階段是結(jié)構(gòu)的最終階段，一般要求該階段張拉完成后吊桿的實際索力與目標(biāo)值基本一致，因此該階段要求計算精度較高，同時要求調(diào)索方便、快速、省時。因此吊桿張拉時需根據(jù)結(jié)構(gòu)處的不同階段來選擇合適的計算方法。當(dāng)然根據(jù)結(jié)構(gòu)安全以及施工需要，上述每個階段的索力又可以分成多級張拉。

背景橋為提籃雙層桁架拱橋，全鋼結(jié)構(gòu)，橋梁計算跨徑112 m，橋梁總寬11.6 m，拱軸線矢高為22.4 m，矢跨比為1/5。橋梁結(jié)構(gòu)功能為架設(shè)管線。拱肋采用雙管啞鈴形拱肋，系梁采用不加豎桿的三角形鋼桁架。全橋設(shè)兩片桁架，兩片桁架間以橫梁、小縱梁和斜撐組成的米字型上下水平聯(lián)桿系連接。結(jié)構(gòu)采用先梁后拱的施工工藝，先搭設(shè)臨時支架分段吊裝桁架，接長臨時支架后分段吊裝拱肋。吊桿分兩階段張拉，第一階段張拉使桁架梁脫架，管線安裝后進(jìn)行第二階段張拉，確保結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值（見圖1、圖2）。

由于吊桿張拉與千斤頂?shù)牟贾糜休^大關(guān)系，管線橋施工時共布置了2臺千斤頂，橫橋向?qū)ΨQ張拉，縱橋向設(shè)置了12對索分12次張拉完成，縱橋向各對吊桿的編號見圖3。

吊桿張拉共分兩階段進(jìn)行，第一階段每根吊桿張拉至100 kN，拆除臨時支架；第二階段在所有管線安裝完成后，每根吊桿索力張拉至250 kN。

2 ANSYS軟件與有限元模型

ANSYS是一個廣泛應(yīng)用于土木工程、機(jī)械制造、航空航天等諸多方面為一體的、以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，ANSYS APDL是參數(shù)化設(shè)計語言(ANSYS Parametric Design Language)，它是一種解釋性語言，是用來自動完成某些功能或建模的一種腳本語言。它包含了三個方面的內(nèi)容：（1）工具條；（2）參量；（3）宏。APDL 語言是ANSYS高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，它擴(kuò)展了ANSYS在傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力，并擴(kuò)充了更高級運(yùn)算。APDL語言是一種非常類似于Fortran77的參數(shù)化設(shè)計解釋性語言，其核心內(nèi)容為宏、參數(shù)、循環(huán)命令和條件語句，可以通過建立參數(shù)化模型來自動完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù)。APDL可用來自動完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言，用建立智能化分析的手段為用戶提供自動完成有限元分析過程，即程序的第一章緒論輸入可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型來作決定，是完成優(yōu)化設(shè)計和自適應(yīng)網(wǎng)格的最主要的基礎(chǔ)。APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶實際上對任何設(shè)計或分析屬性有控制權(quán)，如分析模型的尺寸、材料的性能、荷載、邊界條件施加的位置和網(wǎng)格的密度等。通過精心的設(shè)計，就可以利用APDL創(chuàng)建一個完善的分析方案。利用APDL中的參數(shù)化數(shù)組、循環(huán)與分支控制、選擇語句等功能可方便的實現(xiàn)正裝迭代法。

背景橋ANSYS有限元模型拱肋、桁架、臨時支架采用BEAM44梁單元，拉索、吊桿采用LINK8索單元，支架與結(jié)構(gòu)之間的接觸采用單向LINK10單元，有限元模型見圖4。

3 正裝迭代法分析過程

橋梁施工控制領(lǐng)域正裝法的基本思路為:對實際結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行正序分析,即按照施工方案依次安裝各施工步的構(gòu)件,并施加相應(yīng)施工步的荷載,來跟蹤模擬施工過程中結(jié)構(gòu)的一系列受力狀態(tài),從而分析施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。由于吊桿支撐橋梁為多次超靜定結(jié)構(gòu)，正裝法一般需采用多次迭代來求相應(yīng)的索力，因此正裝法應(yīng)用于吊桿索力計算的基本思路為:先假定一個安裝索力,進(jìn)行一次正裝計算,得到一個成橋狀態(tài)時的索力，將該索力與目標(biāo)索力進(jìn)行比較,求出差值,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[2]。

具體步驟如下：

步驟1：輸入橋梁結(jié)構(gòu)基本參數(shù)。

步驟2：假定成橋索力為{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}；

4 結(jié)語

本背景橋吊桿張拉利用ANSYS軟件編制相應(yīng)的正裝迭代法命令流，進(jìn)行吊桿張拉控制，結(jié)果表明，正裝迭代法完全滿足要求。

正裝迭代法能較好地模擬橋梁結(jié)構(gòu)實際施工歷程，能較好地考慮一些與橋梁結(jié)構(gòu)形成歷程有關(guān)的因素，正裝分析的計算索力與目標(biāo)索力誤差較小，因此正裝迭代法適合于各類線性與非線性的調(diào)索計算，適用范圍較廣。但是正裝法迭代次數(shù)較多，收斂速度慢，當(dāng)單元數(shù)量較多時，耗時較長。

表1 第一階段吊桿張拉工況（單位：kN）

表2 第二階段吊桿張拉工況（單位：kN）

[1]鐘健聰,李新平.空間系桿拱橋吊桿張拉控制的研究.廣東公路交通,2004,2:1-4.

[2]顏東煌,劉光棟.確定斜拉橋合理施工狀態(tài)正裝迭代法.中國公路學(xué)報,1999,12(2):59-64.

[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.特種結(jié)構(gòu),2008,25(1):88-91.