銀磊（中鐵七局集團(tuán)第一工程有限公司　河南洛陽　471000）

分析下承式鋼混凝土系桿拱橋吊索施工張拉力計(jì)算

銀磊
（中鐵七局集團(tuán)第一工程有限公司河南洛陽471000）

在系桿拱橋的施工過程中，吊索施工張拉力計(jì)算是一個(gè)具有重要意義的關(guān)鍵問題。本文將某下承式鋼管混凝土系桿拱橋作為背景，對(duì)下承式鋼混凝土系桿拱橋吊索施工張拉力的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行分析，旨在促進(jìn)下承式鋼混凝土系桿拱橋吊索施工張拉力計(jì)算的準(zhǔn)確率得到不斷提高。

鋼管混凝土拱橋；吊索張拉力；計(jì)算

鋼管混凝土系桿拱橋憑借其外觀優(yōu)美、受力合理等優(yōu)點(diǎn)在工程施工過程中的應(yīng)用越來越廣泛，在鐵路、公路等工程的施工過程中均得到普遍應(yīng)用[1]。該類橋型主要由三大部分共同組成，這三部分分別為拱肋、系梁和吊桿。主梁支撐在吊桿之上，拱肋的作用為承壓，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水平推力，該推力通過系梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力平衡，為一個(gè)具有平衡性的自平衡體系。該三部分間存在相互制約、相互依存的關(guān)系，在施工過程中各個(gè)部件相互間均存在影響。所以在對(duì)工程建設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工階段必須要對(duì)各因素進(jìn)行綜合性考慮，促進(jìn)拱橋可達(dá)到最佳的受力狀態(tài)。吊索施工張拉力計(jì)算為系桿拱橋施工過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題，必須加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行深入分析。

1　常用下承式鋼混凝土系桿拱橋吊索施工張拉力計(jì)算方法

1.1迭代法

1.2倒拆計(jì)算法

倒拆計(jì)算法在應(yīng)用過程中假設(shè)t=t0時(shí)，結(jié)構(gòu)中存在的內(nèi)力可以滿足正裝計(jì)算t時(shí)刻的結(jié)果，線形、內(nèi)力均符合設(shè)計(jì)要求。在這種情況下，根據(jù)正裝分析中的逆過程，將結(jié)構(gòu)倒拆，對(duì)各拆除施工段粗剩余結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的具體影響進(jìn)行分析。將一個(gè)階段中分析所得結(jié)果作為此段結(jié)構(gòu)施工的理想狀態(tài)。在應(yīng)用倒拆計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須要對(duì)主梁支架情況進(jìn)行科學(xué)判斷，對(duì)邊界條件進(jìn)行適當(dāng)更改，只要這樣才能提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

1.3影響矩陣法

在變形程度下，線彈性結(jié)構(gòu)中，對(duì)其位移、內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算是與疊加原理相互符合。在影響矩陣法的應(yīng)用過程中，將每個(gè)吊桿施工的張拉力作為計(jì)算的基本未知量，張拉操作完畢后所能達(dá)到的目標(biāo)索力作為目的。以吊桿張拉存在的順序作為依據(jù)，應(yīng)用有限元模型分別將每根吊桿施加單位力時(shí)對(duì)其他吊桿的影響系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)每個(gè)吊桿張拉時(shí)影響矩陣進(jìn)行建立，然后再通過求解矩陣得到吊桿施工時(shí)存在的具體張拉力，促進(jìn)吊桿力的目標(biāo)值得以實(shí)現(xiàn)。影響矩陣法僅適用于對(duì)線性階段、線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)吊桿實(shí)施張拉操作的過程中，開始張拉到完成張拉的過程中，可假設(shè)邊界條件未出現(xiàn)任何變化，在這種情況下可使用影響矩陣法來進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。當(dāng)?shù)鯒U需要進(jìn)行多次張拉時(shí)，則必須在每次張拉中都對(duì)影響矩陣進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)閷?shí)施一次張拉以后吊桿已被安裝好，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此影響矩陣也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。在吊索結(jié)構(gòu)中，在對(duì)影響矩陣進(jìn)行求解的過程中，因?yàn)閷?shí)施張拉之后吊索會(huì)處于有應(yīng)力狀態(tài)，在對(duì)某根吊桿增加單位力對(duì)其它吊桿影響進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以把其它吊桿當(dāng)做桁架桿來進(jìn)行相應(yīng)的處理。

在建立計(jì)算模型的過程中，必須要高度重視對(duì)吊桿剛度進(jìn)行修正。計(jì)算模型的建立過程中，吊桿長度為去所在具體位置的拱肋中心線至系梁中心線之間存在的距離，但是在實(shí)際結(jié)構(gòu)當(dāng)中，吊桿長度為兩端錨固板間存在的具體距離，二者間存在差距[3]。因此，為了促進(jìn)計(jì)算精度得到有效提高，必須要對(duì)吊桿抗拉剛度進(jìn)行修正。

在不對(duì)索張拉后拱肋、主梁存在的變形情況進(jìn)行考慮的情況下，可認(rèn)為索兩端的邊界具有良好的剛性。在這種情況下所施加的索力就相當(dāng)于吊桿張拉后索力，可將此作為迭代起點(diǎn)。但是在實(shí)際中，吊桿張拉時(shí)拱肋、主梁均存在一定程度的變形，因此實(shí)際上張拉后吊桿索力會(huì)比目標(biāo)索力要小一些。迭代法主要是通過持續(xù)性地改變施加的張拉力進(jìn)而促進(jìn)目標(biāo)索力得以實(shí)現(xiàn)。迭代法在應(yīng)用過程中的計(jì)算流程主要表現(xiàn)如下：①以施工步驟作為依據(jù)進(jìn)行有限元模型建立。②將施工張拉力{T0}初始值假設(shè)為設(shè)計(jì)成橋索力 {P}進(jìn)行計(jì)算。④將計(jì)算結(jié)果 {T1}提取，并對(duì)，看其是否在設(shè)計(jì)要求所允許的誤差值{Δ}范圍內(nèi)。但結(jié)果在允許的誤差值范圍內(nèi)時(shí)可將結(jié)果輸出作為最終的計(jì)算結(jié)果。如計(jì)算結(jié)果超出{Δ}范圍時(shí)則需返回步驟2的計(jì)算，將施工張拉力設(shè)為{Ti}={Ti-1}+{ΔT}，直至結(jié)算結(jié)果在{Δ}范圍為止。

該種計(jì)算方法操作簡單且具有直觀性，適用于大跨度橋梁的幾何非線性情況，可對(duì)混凝土拱橋存在的收縮徐變問題進(jìn)行充分考慮，且應(yīng)用過程中可借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。該種計(jì)算方法的缺陷表現(xiàn)為有時(shí)會(huì)花費(fèi)較多的時(shí)間。

2　工程實(shí)例計(jì)算分析

2.1工程概況

該工程為某某鐵路鋼管混凝土提籃拱橋，工程中拱肋主要應(yīng)用的是提籃式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。拱肋軸線、上弦鋼管軸線、下弦鋼管軸線在豎直面上呈現(xiàn)出三條拋物線投影。工程中的拱肋應(yīng)用的是雙肢格構(gòu)式鋼管混凝土，兩根鋼管拱頂處存在較近距離，拱腳處存在較遠(yuǎn)距離。在兩片拱肋中設(shè)置由3道橫撐對(duì)橫向剛度起到良好的加強(qiáng)作用。工程應(yīng)用的材料均為Q345鋼。主梁為現(xiàn)澆整體主梁，混凝土為C50混凝土，截面為箱肋式，將吊索錨固定在橫梁的底部，順著橋向，每隔6m處便設(shè)置有一道標(biāo)準(zhǔn)橫梁，橫梁的厚度為0.5m，在支座的附近設(shè)置由兩道加厚端的橫梁。工程所用吊索均是由低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，每根吊索之間存在的距離均相等。整座橋總共有28根吊索，每側(cè)各設(shè)有14根。

該工程在施工過程中所應(yīng)用的施工方法為先梁后拱，施工過程中的具體操作步驟為：①對(duì)施工支架進(jìn)行搭設(shè)，現(xiàn)澆支架主梁。②對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，對(duì)施工拱肋、橫撐進(jìn)行吊裝。④進(jìn)行第二批縱向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，實(shí)施鋼管內(nèi)壓注混凝土操作，對(duì)吊桿進(jìn)行張拉，對(duì)剩余的縱向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉。最后，將主梁現(xiàn)澆支架拆除，對(duì)橋面進(jìn)行鋪裝，調(diào)整全橋索力。

2.2吊索施工張拉力的計(jì)算

以設(shè)計(jì)的相關(guān)資料作為依據(jù)，完成橋面鋪裝等相關(guān)施工后，吊索張拉完成后索力詳見表1。在該工程中，吊索張拉方案是從邊至中依次實(shí)施對(duì)稱張拉操作。每次張拉的吊索數(shù)量為四根。在本文為了方便說明，將同時(shí)進(jìn)行張拉的索定定義為相同的吊索號(hào)。

2.2.1應(yīng)用倒拆法對(duì)吊索張拉完畢后的索力進(jìn)行計(jì)算

對(duì)吊索實(shí)施張拉操作完畢后，還需對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)施張拉操作，同時(shí)還有實(shí)施橋面鋪裝施工。因此，在本次研究中，應(yīng)用倒拆法從設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)開始實(shí)施倒拆計(jì)算，計(jì)算過程一直延續(xù)到吊索張拉操作完成，最后才獲得吊索張拉完畢時(shí)各吊索索力。該工程通過計(jì)算所獲得的吊索張拉完畢時(shí)各吊索索力詳見表1。

表1　設(shè)計(jì)目標(biāo)索力及張拉完畢時(shí)各吊索索力情況（kN）

2.2.2應(yīng)用影響矩陣對(duì)吊索張拉力進(jìn)行計(jì)算

計(jì)算出吊索張拉完畢之后的索力后，按照張拉過程中索力的影響矩陣，可將各吊索在各施工步驟過程中須施加的張拉力進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)吊索實(shí)施第一次張拉操作時(shí)，還沒有完全形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，對(duì)某根吊索進(jìn)行張拉時(shí)，只會(huì)對(duì)已經(jīng)安裝完畢的相關(guān)吊索力產(chǎn)生影響。在這個(gè)情況下，索力影響矩陣表現(xiàn)為上三角矩陣。按照有限元模型，以吊索的安裝過程中的具體步驟作為依據(jù)，分別將每根吊桿在實(shí)施張拉過程中對(duì)已經(jīng)安裝好的其他吊索產(chǎn)生的相應(yīng)影響計(jì)算出來，進(jìn)而將影響矩陣計(jì)算出來。實(shí)施第二遍張拉時(shí)，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)候吊索基本已經(jīng)完全安裝好，因此在對(duì)某根吊索進(jìn)行張拉時(shí)，剩下的其他吊索均會(huì)受到影響。因此這個(gè)時(shí)候的影響矩陣表現(xiàn)為滿秩矩陣。

吊索張拉操作完畢之后，后續(xù)的相關(guān)施工操作也會(huì)對(duì)吊索力產(chǎn)生一定程度的影響。在對(duì)影響矩陣進(jìn)行求解時(shí)，須將目標(biāo)索索力發(fā)生單位變化時(shí)對(duì)其它索產(chǎn)生的影響計(jì)算出來。這個(gè)計(jì)算過程中可通過有限元計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)。

3　結(jié)束語

在桿拱橋的施工過程中存在較大復(fù)雜性，在施工期間同時(shí)存在結(jié)構(gòu)體系變化和邊界相關(guān)條件的變化。這些情況的存在大大增加了吊桿張拉力計(jì)算的復(fù)雜性。為了促進(jìn)施工完畢之后能夠自動(dòng)達(dá)到目標(biāo)索力，不用實(shí)施返回張拉操作，需加強(qiáng)對(duì)下承式鋼混凝土系桿拱橋吊索施工張拉力的相關(guān)計(jì)算方式進(jìn)行分析，并積極采取相應(yīng)措施促進(jìn)計(jì)算精確度得到不斷提高。

[1]彭宣茂.系桿拱橋吊桿初始張拉力的計(jì)算方法[J].水利水電科技進(jìn)展，2013，9（1）：624～625.

[2]王曉晶，吳姍姍，閆昕，等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的錨桿張拉力測試方法研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2012，7（3）：822～823.

[3]任偉新，謝瑞杰.下承式鋼混凝土系桿拱橋吊索施工張拉力計(jì)算[J].中國西部科技544，2013，2（12）：910～912.

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1673-0038（2015）06-0172-02

2015-1-20

銀磊（1987-），女，助理工程師，本科，主要從事技術(shù)管理工作。