劉治勇

摘要：以新建龍煙鐵路跨213省道大橋鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱為工程背景，采用有限元進(jìn)行了全橋施工階段的模擬分析，給出了主梁、拱肋的預(yù)拱度。通過(guò)對(duì)吊桿的3種不同的張拉順序方案進(jìn)行比較，指出間隔式分批對(duì)稱張拉較為合理，計(jì)算得到該方案下吊桿的初始張拉力和主要施工階段的吊桿內(nèi)力值，并對(duì)主梁施工方案進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：系桿拱；施工模擬分析；預(yù)拱度；張拉順序

中圖分類號(hào)：U448.22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

新建龍煙鐵路跨213省道大橋1～80 m鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱起訖里程為DK047+360.65～DK047+443.95，與213省道公路交叉里程為DK047+404.75，鐵路線路與213省道公路線路的夾角為41°16′4″，橋下213省道公路下穿通行。

該系桿拱橋下部結(jié)構(gòu)為鉆孔樁、承臺(tái)、圓端形墩柱，每個(gè)墩下采用11根直徑1.25 m、長(zhǎng)16 m的鉆孔樁，承臺(tái)為12.3 m×8.2 m×2.5 m長(zhǎng)方體，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土實(shí)心墩。橋梁結(jié)構(gòu)形式為簡(jiǎn)支梁拱組合結(jié)構(gòu)，箱梁總長(zhǎng)度為83 m，計(jì)算跨徑取800 m。主梁截面形式為單箱雙室，拱肋截面形式則為啞鈴形，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。拱肋矢高16 m，矢跨比1/5。拱軸線采用懸鏈線，拱肋上下兩鋼管中心距為15 m，拱肋截面全高2.3 m，橫向中心距為69 m。全橋共設(shè)置14對(duì)吊桿，第一根吊桿至拱腳的距離為7.5 m，其余吊桿中心相互間距均為50 m。

1施工監(jiān)控有限元分析

1.1有限元計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS CIVIL對(duì)該鋼管混凝土系桿拱橋的施工階段進(jìn)行模擬計(jì)算。在建立模型的過(guò)程中對(duì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但并不影響計(jì)算的準(zhǔn)確性[13]。主梁和拱肋均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿用只受拉索單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為110個(gè)，梁?jiǎn)卧獮?5個(gè)，只受拉索單元為14個(gè)。其中，將拱肋截面由原來(lái)的雙材料鋼管混凝土啞鈴形截面換算為單一材料的混凝土矩形截面。根據(jù)施工圖紙并結(jié)合該橋?qū)嶋H情況，考慮包括自重、預(yù)應(yīng)力等所有施工階段荷載，建立全橋有限元模型，對(duì)該橋的施工階段進(jìn)行了正裝分析，得到各施工階段結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀態(tài)。該系桿拱橋單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

圖1單元?jiǎng)澐?/p>

1.2有限元計(jì)算結(jié)果

1.2.1施工階段累計(jì)位移計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元分析結(jié)果，可得主要施工階段結(jié)構(gòu)的累計(jì)位移值及結(jié)構(gòu)變形圖，成橋階段主梁、拱肋累計(jì)位移如圖2、3所示。

圖2主梁累計(jì)位移

圖3拱肋累計(jì)位移

1.2.2預(yù)拱度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)施工階段累計(jì)位移計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出主梁、拱肋的預(yù)拱度 （相對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)高），分別如表1、2所示。

表1主梁預(yù)拱度計(jì)算m

X坐標(biāo)/m收縮徐變1 500 d位移活載豎向最大位移不考慮支架變形預(yù)拱度預(yù)計(jì)支架變形考慮支架變形的預(yù)拱度備注

1.500000左支座

9.0-0.000 8-0.002 70.002 15-0.0080.010 151#吊桿

14.0-0.004 5-0.004 80.006 90-0.0080.014 902#吊桿

19.0-0.009 6-0.006 70.012 95-0.0080.020 953#吊桿

24.0-0.015 0-0.008 40.019 20-0.0080.027 204#吊桿

29.0-0.019 9-0.009 60.024 70-0.0080.032 705#吊桿

34.0-0.023 6-0.010 60.028 90-0.0080.036 906#吊桿

39.0-0.025 6-0.011 00.031 10-0.0080.039 107#吊桿

44.0-0.025 6-0.011 00.031 10-0.0080.039 107#吊桿

49.0-0.023 7-0.010 60.029 00-0.0080.037 006#吊桿

54.0-0.020 0-0.009 60.024 80-0.0080.032 805#吊桿

59.0-0.015 1-0.008 40.019 30-0.0080.027 304#吊桿

64.0-0.009 7-0.006 70.013 05-0.00833#吊桿

69.0-0.004 6-0.004 80.007 00-0.0080.015 002#吊桿

74.0-0.000 9-0.002 70.002 25-0.0080.010 251#吊桿

81.500000右支座

2吊桿張拉順序優(yōu)化分析與施工階段內(nèi)力計(jì)算

2.1吊桿張拉順序優(yōu)化分析

由于不同拱橋結(jié)構(gòu)均具有相應(yīng)的最佳線形和最優(yōu)受力狀態(tài)，因此，施工時(shí)吊桿張拉順序及對(duì)應(yīng)的施工張拉力分析和優(yōu)化就顯得尤為重要。通常吊桿初始張拉力的計(jì)算都采用試算法，但這種方法計(jì)算繁瑣，施工參數(shù)計(jì)算應(yīng)用適應(yīng)性不強(qiáng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員結(jié)合有限元軟件，將力學(xué)或者數(shù)學(xué)模型理論應(yīng)用到實(shí)際計(jì)算中，求得吊桿的張拉順序及對(duì)應(yīng)的施工張拉力，為吊桿施工技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的理論依據(jù)。其中，倒退分析法被廣泛應(yīng)用于該類橋梁吊桿的初始張拉力計(jì)算，它以成

表2拱肋預(yù)拱度計(jì)算m

X坐標(biāo)/m收縮徐變1 500 d位移活載豎向最大位移不考慮支架變形預(yù)拱度預(yù)計(jì)支架變形考慮支架變形的預(yù)拱度備注

1.500000左支座

9.0-0.001 5-0.003 20.004 7-0.0080.012 71#吊桿endprint

14.0-0.003 7-0.004 20.007 9-0.0080.015 92#吊桿

19.0-0.006 4-0.004 40.010 8-0.0080.018 83#吊桿

24.0-0.009 0-0.004 20.013 2-0.0080.021 24#吊桿

29.0-0.011 1-0.003 60.014 7-0.0080.022 75#吊桿

34.0-0.012 6-0.002 80.015 4-0.0080.023 46#吊桿

39.0-0.013 3-0.002 00.015 3-0.0080.023 37#吊桿

44.0-0.013 3-0.002 00.015 3-0.0080.023 37#吊桿

49.0-0.012 5-0.002 80.015 3-0.0080.023 36#吊桿

54.0-0.011 0-0.003 60.014 6-0.0080.022 65#吊桿

59.0-0.008 9-0.004 20.013 1-0.0080.021 14#吊桿

64.0-0.006 3-0.004 40.010 7-0.0080.018 73#吊桿

69.0-0.003 6-0.004 20.007 8-0.0080.015 82#吊桿

74.0-0.001 4-0.003 20.004 6-0.0080.012 61#吊桿

81.500000右支座

橋后的合理受力狀態(tài)為基礎(chǔ)，按逆作施工順序進(jìn)行倒拆計(jì)算，得到全部吊桿的初始張拉力值，再將這些值按照順作施工階段賦予吊桿。經(jīng)計(jì)算分析可知，可以以主梁和拱肋的彎矩值作為控制參數(shù)，優(yōu)選合理的張拉順序，為吊桿施工工作提供技術(shù)保障[37]。

本文給出3種吊桿的張拉順序方案，通過(guò)分析比較3種方案下每個(gè)施工階段拱肋控制關(guān)鍵截面的應(yīng)力大小，得出最優(yōu)方案。

方案一：同時(shí)從兩邊拱腳附近的吊桿向拱頂依次分批對(duì)稱張拉，張拉順序?yàn)椋?#→2#→3#→4#→5#→6#→7#。

方案二：同時(shí)從拱頂?shù)絻蛇吂澳_依次分批對(duì)稱張拉，張拉順序?yàn)椋?#→6#→5#→4#→3#→2#→1#。

方案三：間隔式分批對(duì)稱張拉，張拉順序?yàn)椋?#→4#→2#→7#→5#→3#→1#。

通過(guò)有限元施工計(jì)算分析，得出3個(gè)方案下主要施工階段拱肋關(guān)鍵控制截面處上下緣的應(yīng)力。本文給出了拱腳和拱頂附近應(yīng)力值隨施工過(guò)程的變化曲線，如圖4、5所示。

圖4拱腳附近管內(nèi)混凝土上緣應(yīng)力變化曲線

圖5拱頂附近管內(nèi)混凝土下緣應(yīng)力變化曲線

3個(gè)方案相比較，如采用方案1和方案2的張拉順序，拱腳附近管內(nèi)混凝土的上緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中從兩邊拱腳到拱頂對(duì)稱張拉（即方案一），最大拉應(yīng)力達(dá)到2.5 MPa，而方案三拱腳上緣沒(méi)有拉應(yīng)力出現(xiàn)；方案一和方案二的張拉順序引起拱頂附近管內(nèi)混凝土的下緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中最大為2.2 MPa。拉應(yīng)力的出現(xiàn)容易導(dǎo)致混凝土開裂。綜合考慮，方案三的張拉順序比較合理。

2.2施工階段吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

通過(guò)吊桿張拉順序的優(yōu)化分析，確定方案三為吊桿的張拉順序，即張拉順序?yàn)椋?#→4#→2#→7#→5#→3#→1#，通過(guò)倒裝分析得出吊桿的初始張拉力，如表3所示。表4給出了主要施工階段吊

表3吊桿初始張拉力kN

吊桿編號(hào)1#2#3#4#5#6#7#

初始張拉力550500400500300400300

表4吊桿內(nèi)力值kN

吊桿編號(hào)張拉吊桿6張拉吊桿4張拉吊桿2張拉吊桿7張拉吊桿5張拉吊桿3張拉吊桿1拆除系梁支架二期恒載

1#531550609

2#477479475459446503599

3#383375467591

4#478467461449436432554697

5#286277277421581

6#372358357335321317318478645

7#274260258259427599

桿內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果。

3箱形主梁總體施工方案

3.1混凝土施工方案

一次完成澆筑，澆筑順序?yàn)椋嚎v向混凝土先從中間向兩端進(jìn)行，先澆筑梁體C55混凝土，再澆筑端部9.0 m的C55補(bǔ)償混凝土；橫向從下往上依次澆筑。為了防止空氣滯留，致使梁體混凝土存在空隙，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的澆筑順序、澆筑層厚和振搗時(shí)間。

澆筑混凝土進(jìn)行振搗時(shí)，要保證波紋管不發(fā)生任何位移，特別是不能上浮，確保后期預(yù)應(yīng)力張拉達(dá)到預(yù)期效果。應(yīng)特別注意預(yù)埋件的施工，確保梁體混凝土澆筑前完成所有預(yù)埋件安裝，并保證位置正確。此外，混凝土澆筑應(yīng)避開溫度較高的時(shí)間段，一般應(yīng)在夜間進(jìn)行施工。

現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)定的混凝土坍落度與施工要求的坍落度（16～20 cm）誤差范圍宜控制在±2 cm內(nèi)。不合格的混凝土不得在該工程上使用，確保施工和后期運(yùn)營(yíng)的安全。

3.2預(yù)應(yīng)力筋張拉方案

采用先橫向、再縱向、后豎向的張拉順序。在實(shí)際張拉前應(yīng)檢查孔道曲線，以及張拉設(shè)備是否安裝正確，錨具和千斤頂否保持在一條直線，以避免發(fā)生偏心受拉。張拉程序?yàn)椋?→10%～20%σcon→σcon→ 持荷5 min。然后，校核錨下張拉控制應(yīng)力，主油缸回油錨固，副油缸供油卸千斤頂。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)新建龍煙鐵路跨省道213大橋（1～80 m）系桿拱橋進(jìn)行了全橋施工階段模擬分析和吊桿張拉順序優(yōu)化分析，得到以下結(jié)論。

（1） 得到各主要施工階段結(jié)構(gòu)的最大、最小累計(jì)位移值及結(jié)構(gòu)變形圖，為施工監(jiān)控提供了理論依據(jù)。

（2） 計(jì)算了主梁、拱肋的預(yù)拱度 （相對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)高），保證了成橋后橋梁線形滿足設(shè)計(jì)要求。

（3） 通過(guò)對(duì)吊桿3種不同的張拉順序方案進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)間隔式分批對(duì)稱張拉較為合理，并計(jì)算得到該方案下主要施工階段吊桿的初始張拉力和內(nèi)力值。

（4） 通過(guò)比較施工方案，確定該鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋采用鋼筋一次綁扎、一次澆筑的總體施工方案。

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[責(zé)任編輯：譚忠華]endprint