張同飛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

昌九城際鐵路永修剛架系桿拱橋跨度為(32+128+32)m,拱墩結(jié)合、拱梁分離體系,系鐵路橋梁首次采用,施工方法為先梁后拱法。該橋共設(shè)14對(duì)吊桿(上下游同一位置為1對(duì),每個(gè)吊點(diǎn)位置有2根吊桿,間距為0.5 m),吊桿縱向間距為8 m,自左到右順次編號(hào)為1～14號(hào),其他參數(shù)見文獻(xiàn)[1]。其設(shè)計(jì)主要施工工序?yàn)椋?1)在支架上分段現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,并張拉主梁預(yù)應(yīng)力；(2)拱架上拼裝鋼箱拱,卸拱架,張拉部分系桿；(3)從拱腳到拱頂逐對(duì)、對(duì)稱安裝并初張拉吊桿,張拉部分系桿；(4)拆除主梁支架,施加二期恒載,張拉部分系桿；(5)從拱頂?shù)焦澳_逐對(duì)、對(duì)稱調(diào)整吊桿力；(6)張拉剩余系桿。永修剛架系桿拱橋總體布置如圖1所示。

圖1 永修剛架系桿拱橋總體布置(單位：cm)

1 吊桿張拉方案確定的理論影響因素

1.1 吊桿張拉關(guān)鍵問題

對(duì)于先梁后拱施工工藝的該類橋梁,吊桿張拉方案的確定涉及到3個(gè)關(guān)鍵問題。

第一,吊桿張拉次數(shù)的確定,常用的有一次張拉法、初張拉和調(diào)整張拉的兩次張拉法以及多次調(diào)整張拉法。

第二,吊桿張拉各階段對(duì)應(yīng)的張拉時(shí)機(jī)選擇,即吊桿的初張拉或調(diào)整張拉安排在哪個(gè)施工階段進(jìn)行。

第三,吊桿張拉各階段對(duì)應(yīng)的張拉順序選擇,即在吊桿的初張拉或調(diào)整張拉時(shí)采用何種順序進(jìn)行,是否需要對(duì)稱張拉。

1.2 吊桿張拉次數(shù)的選擇

常用的吊桿張拉方法有一次張拉法、初張拉和調(diào)整張拉的兩次張拉法以及多次調(diào)整張拉法。采用一次張拉到位,可達(dá)到簡化張拉工序和工作量的目的,筆者認(rèn)為它應(yīng)該是吊桿張拉的首選方法。文獻(xiàn)[4]以泰州大橋?yàn)槔?對(duì)剛性吊桿一次張拉技術(shù)進(jìn)行了研究,認(rèn)為其是可行的,且該技術(shù)可以大大方便施工,縮短工期。文獻(xiàn)[5]更是通過模型試驗(yàn)證實(shí),對(duì)于泰州大橋,吊桿采用一次性張拉到位的方案是可行的,并且是安全可靠的。

相對(duì)于一次張拉到位法,二次張拉法可提高張拉精度,有利于誤差的調(diào)整和減小。對(duì)于先梁后拱施工工藝,影響吊桿張拉次數(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵因素是主梁和主拱的受力,當(dāng)采用一次張拉到位工藝時(shí),有可能張拉過程中的個(gè)別吊桿力過大,或?qū)е轮髁夯蛑鞴安糠止?jié)段受力不合理,此時(shí),就必須采用二次張拉工藝或多次張拉法。需要指出的是,考慮到施工誤差、結(jié)構(gòu)非線性、工藝和設(shè)備精度等因素的影響,工程經(jīng)驗(yàn)表明,系桿拱橋的吊桿張拉調(diào)整次數(shù)太多,最終的精度不一定好。

1.3 吊桿張拉時(shí)機(jī)的選擇

基于減小施工難度和工作量考慮,背景工程可考慮的吊桿張拉次數(shù)有設(shè)計(jì)的兩次張拉和一次張拉(若由于施工誤差太大而導(dǎo)致成橋后需要進(jìn)行的調(diào)整張拉,不計(jì)入張拉批次范圍內(nèi))。

對(duì)于兩次張拉法,兩次張拉的目的是不同的[2],初張拉是為了形成“拱肋-吊桿-主梁”的整體受力體系,使吊桿承擔(dān)部分主梁自重,改善主梁的受力特性,方便主梁支架的拆除；調(diào)整張拉為最終張拉,使成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和線形滿足設(shè)計(jì)要求。由于兩次張拉的目的不同,設(shè)計(jì)對(duì)張拉提出的要求往往也不同,初張拉時(shí),按設(shè)計(jì)規(guī)定的張拉力張拉即可；而在調(diào)整張拉時(shí),為了使吊桿力和線形滿足設(shè)計(jì)要求,往往需要根據(jù)實(shí)際情況由監(jiān)控計(jì)算確定吊桿的張拉順序和張拉力。

對(duì)于本橋設(shè)計(jì)采用的兩次張拉法,初張拉安排在主拱支架拆除后、主梁支架拆除前進(jìn)行,在主拱落架后馬上形成“拱肋-吊桿-主梁”的整體受力體系,對(duì)于結(jié)構(gòu)而言是合理的。調(diào)整張拉時(shí)機(jī)的選擇,一般考慮以下因素[3]：一方面,要使吊桿調(diào)整張拉后的工序愈少愈好,使施工后最終吊桿力與設(shè)計(jì)要求值的偏差最小,若吊桿調(diào)整張拉工序安排過早,后續(xù)工序較多,后續(xù)施工的施工誤差及收縮徐變等因素影響會(huì)引起較大的吊桿力誤差；另一方面,要兼顧結(jié)構(gòu)受力和線形方面的要求,即吊桿調(diào)整張拉的安排應(yīng)保證結(jié)構(gòu)安全和線形變化合理。對(duì)于某些系桿拱橋,如主梁為縱橫梁結(jié)構(gòu),則主梁整體斷面尚未形成,剛度還較小時(shí),吊桿調(diào)整張拉時(shí)系梁撓度變化稍大些,調(diào)索更能滿足撓度方面的要求。

本文對(duì)一次張拉法也進(jìn)行了分析,由于本橋采用先梁后拱施工工藝,主梁在支架上施工成型,吊桿未張拉前,主梁支架不可拆除,因此對(duì)于一次張拉法,其張拉時(shí)機(jī)與二次張拉法的初張拉一致,即主拱支架拆除后、主梁支架拆除前。

1.4 張拉順序的選擇

對(duì)吊桿力的最終結(jié)果而言,與吊桿張拉的次序是無關(guān)的[3,6]。即不論先張拉哪根吊桿、后張拉哪根吊桿,待所有吊桿都張拉完畢,將得到同樣的結(jié)果。

然而,在實(shí)施張拉過程中,需選定次序。在驗(yàn)算每張拉一根吊桿時(shí),不但要求結(jié)構(gòu)能安全地承受內(nèi)力變化,而且要盡量使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度變化幅度最小。這需要精心設(shè)計(jì)計(jì)算。文獻(xiàn)[7]中提到,泰州大橋總計(jì)有5 040種不同的張拉順序,其中最大張拉力與設(shè)計(jì)值之比小于4倍的有720種,大于5倍的有3 600種,大于7倍有720種。可見,不同的張拉順序,吊桿的最大張拉力存在很大差別。文獻(xiàn)[8]千斤頂張拉力的推導(dǎo)過程也證明,吊桿千斤頂張拉力與調(diào)整順序有關(guān)。一般地講,吊桿調(diào)整時(shí)要均勻?qū)ΨQ,選定主拱上撓度最大值處的吊桿作為調(diào)整對(duì)象,這將會(huì)得到最合理的吊桿調(diào)整次序。

2 吊桿張拉方案確定的現(xiàn)場(chǎng)影響因素

2.1 吊桿張拉端選擇與影響因素

吊桿張拉端即可選擇在主梁上,也可選擇在主拱上,本橋主拱為鋼箱梁,吊桿錨頭設(shè)置在鋼箱梁內(nèi),人員和設(shè)備都需要從主拱合龍段進(jìn)人孔進(jìn)出,施工難度大,施工環(huán)境惡劣,安全隱患大,因此,選擇在主梁端為張拉段,為方便操作,張拉時(shí)機(jī)宜選擇在主梁跨河支架拆除前進(jìn)行,如此,張拉作業(yè)可方便的在支架平臺(tái)上實(shí)施。

2.2 張拉設(shè)備與人員配備因素

由于每個(gè)理論吊點(diǎn)處實(shí)際有2根吊桿,1對(duì)吊桿張拉(上、下游側(cè)構(gòu)成1對(duì)),需要4臺(tái)千斤頂同時(shí)工作。對(duì)稱張拉包括橫向?qū)ΨQ及縱向?qū)ΨQ共4個(gè)位置同步張拉,需要8臺(tái)千斤頂同時(shí)工作。如此類推。

2.3 同步控制問題

在保證設(shè)備配置和人員配備到位的情況下,如何在工藝上保證各千斤頂同步,如何將非同步控制在的容許偏差值以內(nèi),如何評(píng)判已經(jīng)張拉到位等問題較難解決。

2.4 設(shè)備調(diào)動(dòng)問題

施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)盡量避免設(shè)備的頻繁調(diào)動(dòng)。

3 吊桿張拉的幾種方案

本橋設(shè)計(jì)施工圖中的吊桿張拉方案如下所述。

(1)張拉時(shí)機(jī)

采用二次張拉法,即吊桿的張拉分為初張拉和調(diào)整張拉(終張拉)兩個(gè)張拉階段。初張拉階段安排在主拱支架拆除后、主梁支架拆除前進(jìn)行；調(diào)整張拉階段安排在施加二期恒載之后進(jìn)行。

(2)張拉順序

在初張拉階段,要求從拱腳到拱頂逐對(duì)對(duì)稱張拉各吊桿；在調(diào)整張拉階段,要求從拱頂?shù)焦澳_逐對(duì)對(duì)稱張拉各吊桿,其中的對(duì)稱要求包括縱向與橫向?qū)ΨQ。

為了探索較好的張拉方案,在設(shè)計(jì)方案外,考慮了另外3種較為合理的吊桿張拉方案。分別描述為方案2、3和4。各方案的特點(diǎn)見表1,表中逐對(duì)對(duì)稱指縱橫向均對(duì)稱,依次對(duì)稱為橫向?qū)ΨQ,縱向不對(duì)稱。

表1 吊桿張拉方案對(duì)比

4 吊桿張拉方案可行性分析依據(jù)

4.1 吊桿千斤頂張拉力

各張拉方案的關(guān)鍵就是通過成橋吊桿力來推導(dǎo)吊桿張拉階段的吊桿千斤頂張拉力。

吊桿千斤頂張拉力的計(jì)算方法,筆者在參考文獻(xiàn)[8]中有詳細(xì)的推導(dǎo)過程。對(duì)于方案2和方案3,初張拉階段直接采用設(shè)計(jì)提供的吊桿張拉力即可,調(diào)整張拉階段按照參考文獻(xiàn)[8]中影響矩陣法和倒推法相結(jié)合的方法,可以方便地計(jì)算出其千斤頂張拉力。

方案4張拉吊桿時(shí),主梁支架還未拆除。吊桿張拉之前,主梁支架全部受壓,隨著吊桿的逐步張拉,主梁會(huì)逐步脫離支架,結(jié)構(gòu)體系不斷變化,吊桿力影響矩陣亦不斷變化。因此,無法采用參考文獻(xiàn)[8]中影響矩陣法和倒推法相結(jié)合的方法。方案4采用倒拆正裝法計(jì)算各吊桿的千斤頂張拉力,由于倒拆法無法考慮混凝土的收縮徐變影響,因此會(huì)有誤差,此項(xiàng)誤差通過迭代法,即反復(fù)進(jìn)行倒拆正裝來予以減小。

吊桿張拉過程中,需確保吊桿千斤頂張拉力在其容許張拉力范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),本橋在施工階段控制最大吊桿張拉力安全系數(shù)取值為1.8。吊桿采用φ7 mm低松弛鍍鋅鋼絲,抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 670 MPa。1號(hào)、14號(hào)吊桿(兩側(cè)4根)的面積為18 628 mm2,其施工階段吊桿力容許值為17 283 kN；2號(hào)、13號(hào)吊桿(兩側(cè)4根)的面積為13 084 mm2,其施工階段吊桿力容許值為12 139 kN；3號(hào)～12號(hào)吊桿(兩側(cè)4根)的面積為8 468 mm2,其施工階段吊桿力容許值為7 856 kN。

4.2 結(jié)構(gòu)安全

確保張拉方案在各關(guān)鍵施工階段及成橋階段,應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求。按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005),主梁和主墩的應(yīng)力允許值見表2。按照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定,主拱Q345鋼的容許應(yīng)力為[σw]=210 MPa。

表2 混凝土材料應(yīng)力容許值指標(biāo) MPa

4.3 成橋狀態(tài)

確保張拉方案的成橋內(nèi)力、線形狀態(tài)與設(shè)計(jì)方案基本接近。

成橋內(nèi)力選取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面：①主梁左邊跨L/2截面，②主梁中跨左L/4截面，③主梁中跨L/2，④主梁中跨右L/4截面，⑤主梁右邊跨L/2截面，⑥主拱左L/4截面，⑦主拱L/2截面，⑧主拱右L/4截面，⑨左側(cè)主墩墩底截面，⑩右側(cè)主墩墩底截面。

成橋線形選取主梁關(guān)鍵截面,即①主梁左邊跨L/2截面，②主梁中跨左L/4截面，③主梁中跨L/2，④主梁中跨右L/4截面，⑤主梁右邊跨L/2截面。

吊桿張拉方案可行性分析采用橋梁博士軟件,建立平面模型,其中吊桿為桁架單元,其余為梁單元。計(jì)算模型見圖2。

圖2 橋梁博士軟件建立的模型

5 吊桿張拉方案可行性分析

5.1 吊桿千斤頂張拉力驗(yàn)算

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算方法,得到的方案2～方案4吊桿千斤頂張拉力見表3,表中數(shù)據(jù)為上下游兩側(cè)4根吊桿力之和。其中,表中數(shù)據(jù),對(duì)于方案2和方案3為調(diào)整張拉階段,各吊桿的千斤頂張拉力,對(duì)于方案4為初張拉階段,各吊桿的千斤頂張拉力。

通過表3可知：方案2～方案4吊桿千斤頂張拉力均小于其容許值,吊桿張拉過程中,吊桿受力是安全的。

表3 方案2～方案4吊桿力千斤頂張拉力 kN

5.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算

計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在方案2～方案4主要施工階段和成橋階段,主梁、主墩和主拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力良好,完全滿足規(guī)范要求,具有可靠的安全性。主梁、主墩、主拱關(guān)鍵截面最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力見表4。主拱為鋼結(jié)構(gòu),所以沒有區(qū)分拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

5.3 成橋狀態(tài)驗(yàn)算

成橋階段,方案2～方案4關(guān)鍵截面內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)方案的對(duì)比結(jié)果見表5、表6；線形狀態(tài)對(duì)比結(jié)果見表7。

表4 方案2～方案4最大拉壓應(yīng)力 MPa

表5 方案2～方案4成橋階段軸力狀態(tài)與設(shè)計(jì)方案對(duì)比 kN

通過表5、表6和表7可知,方案2～方案4成橋階段關(guān)鍵截面的內(nèi)力和變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)方案非常接近,其中：

(1)軸力最大絕對(duì)差值百分比方案2不超過0.05%；方案3不超過0.08%；方案4不超過0.11%；

表6 方案2～方案4成橋階段彎矩狀態(tài)與設(shè)計(jì)方案對(duì)比 kN·m

表7 方案2～方案4成橋階段線形與設(shè)計(jì)方案對(duì)比 m

(2)主拱和主墩彎矩最大絕對(duì)差值百分比方案2不超過2.33%；方案3不超過2.85%；方案4不超過8.71%；

(3)主梁的彎矩百分比較大,這主要是主梁彎矩值較低導(dǎo)致的,以4號(hào)截面為例,方案2絕對(duì)差值百分比達(dá)到了54.41%,但其絕對(duì)差值僅有9 kN·m；方案3絕對(duì)差值百分比達(dá)到了1 048.47%,但其絕對(duì)差值僅有179 kN·m；方案4絕對(duì)差值百分比達(dá)到了793.78%,但其絕對(duì)差值僅有135 kN·m。

(4)成橋線形的絕對(duì)差值方案2不超過0.001 m；方案3不超過0.002 m；方案4不超過0.002 m。

5.4 分析結(jié)果

(1)本文涉及到的4種吊桿張拉方案(1套設(shè)計(jì)方案,3套本文提出方案)均是可行的,無論在施工階段還是成橋階段,結(jié)構(gòu)的力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

(2)計(jì)算證明,只要保證最終的成橋吊桿力與設(shè)計(jì)吊桿力相同,則無論采用何種張拉方案,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形狀態(tài)均與設(shè)計(jì)方案非常接近。

6 吊桿張拉方案的確定

方案4采用一次張拉方案,該方案可達(dá)到簡化張拉工序和工作量、縮短工期的目的,筆者認(rèn)為它是本橋吊桿張拉的首選方案,并予以推薦。

本橋在確定吊桿張拉方案的專家評(píng)審會(huì)上,設(shè)計(jì)單位堅(jiān)持采用的二次張拉方案,主要理由是采用二次

張拉,理論上可較好地修正后期施工階段(如二期恒載等)帶來的誤差。

實(shí)施過程中,施工單位根據(jù)施工進(jìn)度等現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,進(jìn)行了適時(shí)的調(diào)整,最終實(shí)施的吊桿張拉方案為：采用兩次張拉法,分為初張拉階段和調(diào)整張拉階段,初張拉階段安排在主拱落架、主梁支架拆除前進(jìn)行；調(diào)整張拉階段安排在部分二期恒載施加之前(調(diào)整張拉之前,除道砟軌道外的其余二期恒載均已施加)進(jìn)行。張拉順序上,初張拉階段從拱腳到拱頂逐對(duì)、對(duì)稱張拉；調(diào)整張拉階段從拱頂?shù)焦澳_逐對(duì)、對(duì)稱張拉。

最終實(shí)施的吊桿張拉方案介于設(shè)計(jì)方案和本文提到的方案3之間,根據(jù)分析過程,該方案可以確定在理論上是可行的。

7 結(jié)語

從張拉次數(shù)、張拉時(shí)機(jī)、張拉順序3個(gè)方面對(duì)系桿拱橋張拉方案的確定進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)影響張拉方案的現(xiàn)場(chǎng)因素進(jìn)行了分析,從而確保張拉方案計(jì)算理論的可靠性和現(xiàn)場(chǎng)施工的可操作性。通過分析,提出的3個(gè)吊桿張拉方案均為可行的,同時(shí)證明,只要最終的成橋吊桿力與設(shè)計(jì)吊桿力相同,則無論采用何種張拉方案,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形狀態(tài)均與設(shè)計(jì)方案非常接近。

本文的分析過程不僅適用于系桿拱橋吊桿張拉方案的確定,同樣適用于斜拉橋的斜拉索張拉方案的確定。

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