摘要：為對系桿拱橋施工階段的吊索張拉方案進行研究，文章以某城市鋼箱系桿拱橋為工程背景，基于吊索最常見的4種張拉順序，提出4種張拉方案，從成橋索力精度、結(jié)構(gòu)受力變形、施工便利性等方面綜合考慮，比選出吊索最優(yōu)張拉方案。結(jié)果表明：方案三（邊中交替張拉）得到的成橋索力誤差最小，結(jié)構(gòu)各施工階段受力也相對較小，位移變化均勻，且施工相對便利，方案相對最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：拱橋；鋼箱；系桿；成橋索力；方案比選

0引言

下承式系桿拱橋以其結(jié)構(gòu)輕盈、造型優(yōu)美、跨越能力大、建筑高度小等優(yōu)點一直受到橋梁建設(shè)者的青睞，尤其在地質(zhì)條件較差的城市更是被廣泛地應(yīng)用［1］。其一般由拱肋、吊索、系桿及橋面系組成，整體簡支于橋墩之上。

系桿拱橋整體施工順序一般為先支架施工主梁，后施工拱肋及張拉系桿，最后張拉吊索完成體系轉(zhuǎn)換［2-3］。在一些通航的城市河流段，往往還會選擇先在陸地支架施工到完成整座系桿拱橋體系轉(zhuǎn)換，再將整座橋梁頂推至橋位處。由于在施工階段需要張拉吊索，因此可以通過張拉吊索，調(diào)整索力，優(yōu)化整座橋梁受力。然而，由于該橋型施工順序為“先梁后拱”，再進行吊索張拉，因此吊索張拉方案有無數(shù)種，如何確定一個合理的吊索張拉方案，即使成橋索力達到設(shè)計目標(biāo)，且結(jié)構(gòu)各施工階段受力相對較小，施工相對便捷，對此同行做了不少研究與實踐［4-6］。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以某鋼箱系桿拱橋為研究對象，通過對比分析4種不同吊索張拉方案的優(yōu)劣，找到相對最優(yōu)的吊索張拉方案，為背景工程施工提供技術(shù)保障。

1 工程概況

背景工程為某城市鋼箱系桿拱橋，跨越城市河流，主橋為主跨150 m下承式鋼箱系桿拱橋，橋面寬16 m，計算跨徑為146 m，計算矢高為29.2 m，矢跨比為1/5，拱軸線設(shè)計為拋物線，其立面如圖1所示。

橋面采用縱橫梁體系、整體橋面板結(jié)構(gòu)，均采用Q355鋼材。吊索順橋向間距為9.0 m，全橋共15對吊索，從拱腳至跨中依次編號為T1～T8。所有吊索采用1 860 MPa級別的索體用環(huán)氧噴涂PE護套鋼絞線纏包后熱擠HDPE層+聚脲防護層（單邊厚度≈1.5 mm），吊索T1型號為15.2-17，其余吊索型號為15.2-15。

根據(jù)施工方案，本橋主要施工工序為：（1）樁基、承臺、主墩等下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)施工；（2）岸上搭設(shè)滿堂支架，安裝系梁及橋面系；（3）安裝拱肋及橫撐；（4）張拉吊索完成體系轉(zhuǎn)換；（5）安裝導(dǎo)梁，整橋循環(huán)多點頂推至實際橋孔；（6）拆除臨時設(shè)施，完成預(yù)制橋面板施工并張拉系桿；（7）完成橋面鋪裝及附屬設(shè)施施工。

本文主要對背景工程吊索張拉進行多方案比選分析，尋找最合理的吊索張拉方案，即能滿足設(shè)計與施工要求，且能保證施工的相對便利性。

2 吊索張拉方案設(shè)計

由于下承式系桿拱橋施工順序一般為“先梁后拱”，再張拉吊索完成體系轉(zhuǎn)換，因此吊索張拉方案有無數(shù)多種，但大體張拉順序為4種，即先邊后中、先中后邊、邊中交替、邊中對稱。本文基于4種張拉順序，設(shè)計4種張拉方案進行比選，如表1所示。

3 有限元模型的建立

為對設(shè)計的4種吊索張拉方案進行比選分析，本文采用Midas Civil軟件建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型，如圖2所示。

在模型中，拱肋、橫撐、系桿、橋面系均采用梁單元進行模擬，吊索采用桁架單元進行模擬，施工滿堂支架采用只受壓彈性支座進行模擬，成橋邊界則按設(shè)計文件進行設(shè)置，施工階段劃分則嚴格按實際施工順序及上文設(shè)計的張拉順序進行模擬。全橋模型共計419個節(jié)點，402個單元。

4 吊索張拉方案比選分析

由于本項目主梁采用滿堂支架拼裝施工，待所有吊索張拉完才拆除支架，因此，主梁線形及受力在吊索張拉過程中變化不顯著，故只從吊索的成橋拉力，拱肋應(yīng)力（取拱頂、1/4拱肋處）、拱肋位移等方面對4個方案進行比選分析。

4.1 吊索成橋索力及初始張拉力對比分析

吊索實際成橋索力一般以設(shè)計成橋索力為目標(biāo)（設(shè)計單位提供），根據(jù)實際張拉順序，通過對施工過程的迭代計算，求得各施工階段吊索初始張拉力?？傮w目標(biāo)原則為：實際成橋索力誤差最??；各吊索初始張拉力相對較小。具體求解過程如下：

（1）建立全橋有限元模型，以設(shè)計成橋索力為吊索初始張拉力，根據(jù)張拉方案進行倒拆建模分析，得到各施工階段吊索初次張拉索力。

（2）以倒拆分析得到的吊索初次張拉索力作為其施工階段初始張拉力，根據(jù)張拉方案進行正裝建模分析，得到實際成橋索力。

（3）將（2）中得到的實際成橋索力與目標(biāo)索力進行對比，得出誤差值。

（4）重復(fù)（2）、（3）的計算過程，進行多次迭代，使實際成橋索力與目標(biāo)索力誤差值達到最小，得到最終各張拉方案的成橋索力與初始張拉力。

采用倒拆-正裝迭代方法分析得到的各張拉方案成橋索力及初始張拉力如表2所示。

由表2分析可知，從成橋索力來看，由于本橋拱肋、主梁等均為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，無收縮徐變問題，因此，4個張拉方案中采用倒拆-正裝迭代分析得到的成橋索力與目標(biāo)索力誤差均較小，基本在1.3%以內(nèi)?？傮w來說各張拉方案均滿足施工精度要求，方案三的施工精度最高，即成橋索力與目標(biāo)索力最接近。

從各索初始張拉力來看，各張拉方案最大初始張拉力均發(fā)生在T1吊索；方案二最大初始張拉力為514.5 kN，其他3個方案最大初始張拉力均為548 kN左右，但方案二T1、T2、T3、T4吊索初始張拉力基本＞450 kN；方案一中＞430 kN的有3對吊索，方案四中＞400 kN的有4對，方案三雖有2對吊索初始張拉力＞500 kN，但其他吊索初始張拉力均＜350 kN，50%以上的吊索初始張拉力＜310 kN。因此，相比其他3個張拉方案，方案三各吊索初始張拉力相對較小。

4.2 拱肋應(yīng)力對比分析

當(dāng)因吊桿的張拉導(dǎo)致截面彎矩較大時，拱肋上下緣受壓，當(dāng)壓應(yīng)力超過一定限值時，拱肋可能存在屈服或屈曲的危險，因此在吊索張拉過程中應(yīng)對拱肋應(yīng)力進行控制。下文重點通過對比1/4拱肋及拱頂應(yīng)力來比選最優(yōu)張拉方案。經(jīng)有限元正裝分析，各施工階段1/4拱肋及拱頂應(yīng)力如下頁表3、表4所示。

由表3、表4分析可知，方案四各施工階段最大應(yīng)力為23.8 MPa，最小應(yīng)力為0.19 MPa；方案一各施工階段最大應(yīng)力為23.0 MPa，最小應(yīng)力為1.5 MPa；方案二各施工階段最大應(yīng)力為20.9 MPa，最小應(yīng)力為2.06 MPa；方案三各施工階段最大應(yīng)力為19.9 MPa，最小應(yīng)力為2.82 MPa?？梢?，整個施工過程中方案三整體應(yīng)力相對最小，整體應(yīng)力幅度也相比最小。因此，方案三能保證主拱肋在各吊索張拉過程中上下緣應(yīng)力相對較小，且應(yīng)力變化幅值不大，相對均勻，綜合對比最優(yōu)。

4.3 拱肋位移對比分析

拱肋變形也是施工控制中的重要指標(biāo)，可重點通過對比1/4拱肋及拱頂豎向位移來比選最優(yōu)張拉方案。經(jīng)有限元正裝分析，各施工階段1/4拱肋及拱頂豎向位移如表5所示。

由表5分析可知：方案一1/4拱肋各施工階段位移相比最大，最大位移達到22.40 mm，方案二次之，最大達22.07 mm。方案三、方案四1/4拱肋各施工階段位移相對稍少，總體與方案一、方案二相差不大，但方案三位移變化相對均勻。

方案二拱頂各施工階段位移相比最大，最大位移達到29.22 mm，方案一次之，最大達26.29 mm，但位移變化幅度較大。方案三、方案四拱頂各施工階段位移相對稍少，總體位移變化相對均勻。

綜合對比1/4拱肋及拱頂位移大小及變化幅度，方案三的位移相對較少，且位移變化均勻，綜合對比最優(yōu)。

4.4 施工便利性對比分析

從施工便利性方面來看，4個方案中吊索張拉階段最大索力相差不大，所以張拉設(shè)備在選型上基本一致，區(qū)別不大。綜合對比，方案三的施工階段張拉力相比較小，張拉過程的索力相對更好控制，施工成本及施工風(fēng)險相對最低。

5 結(jié)語

本文以背景工程為研究對象，建立全橋整體有限元模型，采用倒拆-正裝迭代法分析，對4種吊索張拉方案下的成橋索力精度、初始張拉力、拱肋應(yīng)力與位移、施工便利性等進行了詳細對比分析，最終比選出最優(yōu)吊索張拉方案（方案三）。實際施工即采用了本文方案三進行吊索張拉，張拉過程順利，成橋索力與線形與設(shè)計吻合度均較高。

參考文獻：

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作者簡介：吳承龍（1989—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。