張正濤

中鐵二十一局集團(tuán)路橋工程有限公司 陜西 西安 71000

1 概述

大跨徑鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)在施工過程中涉及多次體系轉(zhuǎn)換，屬于內(nèi)部多次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)十分復(fù)雜，從而造成各施工階段內(nèi)力及變形的改變。吊桿下料長度的準(zhǔn)確計算及吊桿張拉過程的索力控制是除了拱肋及系梁變形及應(yīng)力控制之外施工監(jiān)控的關(guān)鍵工作。吊桿以采用高強(qiáng)度、柔性的鋼索為主，且屬于關(guān)鍵、易損構(gòu)件，設(shè)計上須考慮可檢查、可更換的構(gòu)造及措施外，施工中吊桿的精準(zhǔn)下料及安裝定位須得到重視。

2 工程概況

高速鐵路斜吊桿簡支拱梁組合橋，梁全長83.2m，梁拱計算跨徑均為80m，兩片拱為平行拱，矢跨比為f/l=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高16m，拱肋采用懸鏈線線型，懸鏈線方程為：

拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0m，鋼管直徑為1000mm，由厚16mm的鋼板卷制而成，每榀拱肋的兩鋼管之間用δ=16mm的腹板連接。上、下鋼管內(nèi)填充C50自密實補(bǔ)償收縮混凝土。

系梁按整體箱型梁布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面箱寬16.4m，梁高2.5m。底板厚度為30cm，頂板厚度為30cm，邊腹板厚度為35cm，中腹板厚度為30cm。吊點處設(shè)橫梁，橫梁厚度為0.4～0.6m。拱腳位置處系梁順橋向7.6m范圍內(nèi)設(shè)成實體段，橫橋向?qū)挾葹?6.4m，截面漸變處設(shè)倒角或過渡段。

吊桿布置為尼爾森體系，均采用127根Φ7高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄墩頭錨，索體采用PES（FD）低應(yīng)力防腐索體。

兩拱肋之間共設(shè)三道橫撐，拱頂處設(shè)米字撐和兩個一字撐，拱頂至兩拱腳間設(shè)兩道K型橫撐。橫撐由Φ500、Φ400和Φ360mm的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土。主橋上部結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。

圖1 ：上部結(jié)構(gòu)立面圖（尺寸單位：cm）

本橋的施工采用先梁后拱的施工方法，待灌注完鋼管內(nèi)混凝土并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，依次對稱安裝及張拉吊桿，張拉順序及控制張拉力為：2#、2’#（1700kN）→4#、4’#（1600kN）→6#、6’#（1200kN）→3#、3’#（1400kN）→5#、5’#（1200kN）→7#、7’#（1100kN）→8#、8’#（800kN）→1#、1’#（1300kN）。

3 施工過程仿真分析

為了進(jìn)行施工控制計算分析，首先采用midas Civil建立全橋施工過程仿真計算有限元模型。主拱、系梁、橫梁均采用梁單元進(jìn)行模擬，吊桿采用只受拉桁架單元進(jìn)行模擬，主拱截面采用施工階段聯(lián)合截面進(jìn)行分析。有限元模型如圖2所示。通過施工過程仿真計算，得出各個施工階段結(jié)構(gòu)的理論應(yīng)力及變形。

圖2 ：有限元計算模型

4 吊桿下料長度計算

4.1 無應(yīng)力索長的計算方法

圖3所示拉索單元，結(jié)構(gòu)在變形前i、j節(jié)點的坐標(biāo)分別為（xi、yi）和（xj、yj），結(jié)構(gòu)在外加荷載作用下發(fā)生變位，節(jié)點i、j的變位分別為（uj、vi）和（uj、vj），結(jié)構(gòu)在變形后狀態(tài)i、j點的位置為：i點（xi+ui，yi+vi），j點（xj+uj，yj+vj）。

如果不考慮拉索由于自重而產(chǎn)生的垂度，則拉索i、j節(jié)點在受載后的幾何長度（有應(yīng)力長度）為：

設(shè)ij拉索單元截面面積為A，彈性模量為E，荷載作用下的索力為N，則索力N產(chǎn)生的彈性變形為：；拉索的無應(yīng)力長度為：。

圖3 ：拉索單元

4.2 吊桿張拉時吊桿內(nèi)力及桿端位移

通過有限元計算，吊桿張拉時桿端位移及吊桿有應(yīng)力長度L，結(jié)果見表1。

表1 ：吊桿張拉時桿端位移及吊桿有應(yīng)力長度

4.3 吊桿下料長度計算

吊桿下料長度為單根吊桿張拉時的無應(yīng)力長度，吊桿索體P E S(F D)-7-1 2 7的鋼絲公稱直徑為4 8.8 8 c m2，彈性模量為2.05×105MPa，計算吊桿下料長度（加工長度），即無應(yīng)力長度，見表2，吊桿長度為上錨墊板頂面至下錨墊板底面中心的距離。

表2 ：吊桿下料長度（加工長度）

5 結(jié)語

（1）鋼管混凝土拱橋的吊桿的無應(yīng)力長度計算不能單純的只考慮吊桿張拉力引起吊桿伸長量的因素，

尤其是采用斜吊桿的拱橋，張拉過程拱肋及系梁產(chǎn)生變形，吊桿桿端產(chǎn)生位移及桿體的旋轉(zhuǎn)，上下索導(dǎo)管也會隨之變化，吊桿張拉后的空間坐標(biāo)的計算是十分必要的。

（2）通過理論坐標(biāo)及有限元計算的方法得到吊桿無應(yīng)力長度后，施工監(jiān)控過程中，還需實際測得系梁及鋼管內(nèi)混凝土的實際彈性模量，另外還要實際預(yù)拱度及施工預(yù)拱度，支架變形、監(jiān)測索力的壓力式傳感器等因素的影響，最終確定吊桿的下料長度。