周偉明

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司 合肥市 230011)

梁拱組合體系橋梁屬外部靜定、內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，最顯著的特點是可以通過調(diào)整吊桿索力來改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。對于梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工而言，需要確定一個合理的吊桿張拉方案，使得該張拉方案所經(jīng)歷的一切中間狀態(tài)均滿足結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及施工機具承載力要求，并在吊桿張拉結(jié)束后達到預(yù)先制定的成橋目標(biāo)設(shè)計狀態(tài)。針對施工過程中吊桿張拉的不確定性，以梁拱組合體系橋梁為研究對象，通過比較分析該類型橋在施工中常用的吊桿張拉方案，分析不同吊桿張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)引起的內(nèi)力及變形，從而確定吊桿張拉方案的合理性。

1 工程案例

1.1 工程概況

安徽省阜陽市向陽路潁河大橋主橋跨徑布置為(47+148+47)m。主橋為三跨梁拱組合體系橋梁，拱圈為雙片鋼箱拱。拱圈截面為矩形鋼箱結(jié)構(gòu)，拱圈軸線為二次拋物線，矢跨比為1/4，拱腳位置處拱圈上、下緣線為二次拋物線與圓弧線的組合線型。鋼縱梁梁高為2.5m，寬2.0m。縱梁頂?shù)装?、腹板厚度均?4mm?？v梁頂?shù)装寰捎肐型加勁肋，加勁肋高度為170mm、厚14mm。主梁內(nèi)設(shè)平衡拱肋推力的水平系桿索，每側(cè)鋼縱梁內(nèi)穿越4束，組成結(jié)構(gòu)的柔性桿體系，單根系桿由16股Φ15.2環(huán)氧鋼絞線組成。吊桿采用Φ15-15環(huán)氧無粘結(jié)鋼絞線整束擠壓式吊桿體系。橋型總體布置如圖1所示，吊桿編號布置如圖2所示。

圖1 潁河大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 潁河大橋吊桿編號示意圖

1.2 有限元模型

利用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL 2015建立該橋的模型，并按照具體施工流程建立該橋的施工階段模型，以模擬分析吊桿張拉施工過程。拱肋、系梁均采用梁單元模擬；吊桿采用桁架單元模擬；系梁支架采用只受壓彈性連接模擬。

2 吊桿張拉施工的合理性探討

由于梁拱組合體系橋梁內(nèi)部超靜定的特性，在施工過程中，結(jié)構(gòu)處于“暫態(tài)”，結(jié)構(gòu)內(nèi)力在每個施工階段都存在交替變化。因此，吊桿張拉施工的合理性包含了吊桿張拉順序以及張拉控制力兩方面。

2.1 吊桿張拉順序方案

成橋吊桿索力作為最終的目標(biāo)索力是按照一定的吊桿張拉順序逐批次張拉吊桿實現(xiàn)的。以圖1、圖2所示的一座梁拱組合體系橋梁為例，分析其吊桿的張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力及線型的影響。以對稱依次張拉和對稱交替張拉的原則確定五種吊桿張拉順序方案：

方案Ⅰ：由拱腳到拱頂對稱依次張拉，即D1～D11順序。

方案Ⅱ：由拱腳到拱頂對稱交替張拉，即D1-D3-D5-D7-D9-D11-D2-D4-D6-D8-D10順序。

方案Ⅲ：由拱頂?shù)焦澳_對稱依次張拉，即D11～D1順序。

方案Ⅳ：由拱頂?shù)焦澳_對稱交替張拉，即D11-D9-D7-D5-D3-D1-D10-D8-D6-D4-D2順序。

方案Ⅴ：由1/4拱、拱頂、拱腳對稱交替張拉，即：D6-D5-D7-D8-D4-D3-D9-D10-D11-D2-D1順序。

2.2 吊桿張拉控制力計算方法

在確定吊桿目標(biāo)索力后，需要求出施工過程中吊桿張拉控制力。在梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工過程中，期間會伴隨著結(jié)構(gòu)的變形、系梁支承體系的轉(zhuǎn)換及內(nèi)力的重分布，分批張拉的吊桿之間也會有相互影響。根據(jù)吊桿張拉順序，確定吊桿的張拉控制力，使每階段吊桿張拉完畢后，所有吊桿張拉力達到目標(biāo)值。吊桿張拉方案按張拉次數(shù)可分為一次張拉到位方案和多次張拉到位兩類。由于在實際施工中，一次張拉到位的方案通常存在安全隱患大、成橋索力誤差較大以及對張拉設(shè)備要求高等弊端，故通常采用兩次張拉方案進行吊桿張拉施工。目前計算吊桿張拉控制力的方法主要有迭代法、倒拆法和影響矩陣法。

實際施工張拉時，以設(shè)計圖紙中的吊桿初張力為目標(biāo)值(通常為成橋吊桿索力的60%)，根據(jù)吊桿張拉順序，按倒拆法分析第一次吊桿初張拉控制力。在施工完二期恒載及剩余系桿張拉后，根據(jù)吊桿張拉順序，用影響矩陣法分析第二次吊桿張拉調(diào)整的張拉控制力。那么在所有吊桿施工完畢后，各吊桿的拉索力能滿足成橋吊桿索力目標(biāo)值。

必須注意的是，由于橋面系施工一般采用支架原位拼裝，在吊桿開始張拉到張拉結(jié)束，可能存在著體系的轉(zhuǎn)換，這會給倒拆分析帶來較大困難。因此可在計算中假設(shè)在第一次吊桿初張拉結(jié)束后再對系梁支架進行脫架，這與大多現(xiàn)實情況相符。

2.3 吊桿張拉施工的合理性準(zhǔn)則

(1)安全性準(zhǔn)則：即結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定性符合要求。在吊桿張拉過程中，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件(系梁、拱肋和吊桿)應(yīng)力不應(yīng)超過規(guī)范規(guī)定的容許值。

(2)適用性準(zhǔn)則：即在吊桿張拉過程中，吊桿初張力不宜超過成橋設(shè)計索力太多，避免為滿足施工中短暫的強度要求而增加材料強度等級或增大材料用量，提高材料利用率；結(jié)構(gòu)應(yīng)力宜較平緩地過渡，避免劇烈變化。

(3)經(jīng)濟性準(zhǔn)則：即吊桿張拉施工應(yīng)兼顧施工的經(jīng)濟便捷性。各吊桿的初張力不宜相差過大，減少不同噸位張拉設(shè)備數(shù)量。同時，還應(yīng)盡量簡化張拉施工操作，避免張拉設(shè)備往復(fù)移動。

3 吊桿張拉方案比較分析

3.1 吊桿張拉控制力

根據(jù)吊桿張拉順序，先將吊桿從0張拉至第一次吊桿張拉索力目標(biāo)值(600kN)；再將吊桿從第一次吊桿張拉索力目標(biāo)值張拉至成橋吊桿張拉索力目標(biāo)值。張拉順序Ⅰ～Ⅴ對應(yīng)的吊桿張拉控制力如表1所示。

據(jù)表1可知，采用兩次張拉的吊桿張拉方案，多數(shù)情況下吊桿張拉控制力在較低水平，且各批次吊桿張拉控制力較為平均，從而可使吊桿張拉設(shè)備的規(guī)格要求隨之降低。另外，此5種張拉方案對應(yīng)的吊桿張拉控制力均未超過吊桿的設(shè)計索力，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

3.2 吊桿張拉施工過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

施工過程中，取拱腳(系梁支點)、1/4拱(系梁1/4跨)、拱頂(系梁跨中)六個關(guān)鍵截面做分析：5種吊桿張拉方案對應(yīng)的施工過程中鋼箱拱的正應(yīng)力處于-138～13MPa，符合相關(guān)規(guī)范的要求；鋼系梁的正應(yīng)力大多處于-35.4～75.7MPa，符合相關(guān)規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的應(yīng)力峰值以及應(yīng)力變化如圖3～圖12所示。

表1 各張拉方案的吊桿張拉控制力(單位：kN)

圖3 張拉方案Ⅰ拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖4 張拉方案Ⅰ系梁關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖5 張拉方案Ⅱ拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖6 張拉方案Ⅱ系梁關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖8 張拉方案Ⅲ系梁關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖9 張拉方案Ⅳ拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖10 張拉方案Ⅳ系梁關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖11 張拉方案Ⅴ拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力

圖12 張拉方案Ⅴ系梁關(guān)鍵截面應(yīng)力

據(jù)圖3～圖12所示：

(1)在吊桿初張拉完系梁脫架后以及施加二期恒載后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力會經(jīng)歷較大變化幅度，這是符合實際情況的。

(2)當(dāng)設(shè)置合理的吊桿初張力目標(biāo)值時，由于系梁脫架的影響，吊桿的二次張拉僅須對吊桿索力進行調(diào)整。這大大降低了吊桿張拉過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的往復(fù)變化幅度。除張拉方案Ⅲ外，所有張拉方案在其他施工階段均保持較小的應(yīng)力往復(fù)變化幅度。

相比之下，張拉方案Ⅱ、Ⅴ的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較方案Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ更為平緩。

4 結(jié)論

以梁拱組合體系橋梁為研究對象，結(jié)合具體的工程實例，分析各吊桿張拉方案，得到以下結(jié)論：

(1)采用支架法施工的梁拱組合體系橋梁，由于在第一次張拉吊桿的過程中，系梁的脫架過程是復(fù)雜且難以精確模擬的。故在有限元的分析計算中，系梁脫架這一體系轉(zhuǎn)換過程可在吊桿第一次張拉完畢后采用一次脫架考慮。

(2)當(dāng)考慮吊桿張拉過程中結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換時，結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)力在吊桿第一次張拉期間變化較小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化受吊桿第二次張拉影響較大，而在體系轉(zhuǎn)換這一施工過程變化最為劇烈，施工時應(yīng)加強監(jiān)測。

(3)在吊桿張拉施工過程中，對稱交替張拉吊桿方式可使張拉過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更均勻，有利于保證結(jié)構(gòu)的安全。從1/4拱位置吊桿或拱腳位置吊桿開始進行對稱交替張拉的施工順序是比較合理的。

在張拉機具合理選擇前提下，當(dāng)設(shè)置合理的吊桿初張力目標(biāo)值時，吊桿的二次張拉僅須對吊桿索力進行較小調(diào)整，結(jié)構(gòu)應(yīng)力在二次張拉期間變化幅度相應(yīng)較小，因此可根據(jù)施工條件靈活地選擇二次張拉時的施工順序。因此，在梁拱組合體系橋梁的吊桿張拉施工前，對吊桿初張拉的目標(biāo)值進行驗算及優(yōu)化是有益的。