中承式系杆拱桥吊杆张拉施工控制研究

【摘 要】作为一种拱梁结合的组合体系桥梁,系杆拱桥将其主要承受压力的拱和主要承受弯矩的梁结合起来,以
便于达到发挥其各自优势的目的,同样这样的方法还能够有效地节省材料,提高了桥梁的承载力。所以,在本研究中将
主要就中承式系杆拱桥吊杆张拉的施工控制进行了简要分析,希望所得结果能够引起大家的关注。
【关键词】中承式;系杆拱桥;吊杆张拉施工;施工控制
引言
中承式系杆拱桥能够有效降低桥面的高度,提高桥梁的跨
越力,在当前,这主要应用于我国各个城市的桥梁建设当中。
中承式系杆拱桥的受力体系是吊杆,其主要作用就是将桥面的
荷载传递到拱助,在很大程度上都影响着整座桥的安全使用。
一、中承式系杆拱桥吊杆的张拉计算
1.中承式系杆拱桥吊杆张拉计算的基本思路
该算法的基本思路分四步走:首先根据设计图纸进行桥梁
模型的建立,确保系梁、拱肋、吊杆和二期恒载都能够在第一
个阶段的施工内完成。在这一阶段当中,应当将各个吊杆的张
拉力值输入到其中;其次是利用钢性支撑连续梁法对迭代初始
值进行计算,要把因为吊杆所产生的弹性竖向支承当作是钢性
竖向支承,然后在根据普通的连续梁将以上的钢性支承反力求
出;第三是对于中承式系杆拱桥连续梁的初始值,利用差值迭
代法做出修正,要保证程序计算得出的最终成桥的吊杆索力和
设计要求相符合;最后是对施工阶段的模型进行建立,要严格
地按照桥梁的施工步骤来进行,对于吊杆的张拉要分为两次来
进行,第一次的张拉力应该以设计要求为参照,第二次的张拉
力要符合实际张拉效果[1]。
2.中承式系杆拱桥吊杆张拉计算的基本原理
该算法的基本原理从两个算法讲起,首先是差值迭代法。
将设计所给出的合理的成桥吊杆的索力设为{P},那么钢性支
承连续梁法计算所得到的吊杆处支点的反力就可以视为吊杆张
拉力迭代初始值,设为{R0},以一次成桥模型为基准进行计算,
那么计算所得到的成桥吊杆索力就可以设为{S0},将{P}和{S0}
进行比较,这两者之间所存在的差值就是:{△S0}={P}-{R0}。
为了将差值{△S0}消除掉,那么在新的计算当中就应该保证
吊杆的张拉力是{R1}={R0}+{△S0}。其次是无应力状态法。
对一个系杆拱桥的各个单元外观几何尺寸进行考察,其实是对
结构单元受载后的几何尺寸进行考察,这样吊杆受力后的几何
长度就是吊杆锚固点之间的长度[2]。假使将桥梁结构上所有的
外荷载拆除掉,那么所有的单元结构就会处在零应力状态下,
这个时候桥梁所有单元的长度及曲率就是单元的无应力长度
和无应力曲率,那么吊杆的长度也就是吊杆的无应力索长。
所以,基于无应力状态法,在吊杆到位张拉的时候,只要将
每个吊杆的索长张拉到位,然后将吊杆需要的调整量和吊杆
无应力长度之间的关系明确出来,然后根据吊杆张拉端锚怀
收缩的长度来对吊杆的无应力索长进行修改,保证其满足设
计的最终要求。在吊杆到位的张拉施工当中,不需要对张拉的
顺序做出考虑。
二、中承式系杆拱桥吊杆张拉力施工控制
1.中承式系杆拱桥吊杆合理束力确定的方法
在对系杆拱桥构建合理内力进行选定的时候,一般将系杆
弯矩达到一定程度视为选择的最佳目标,切忌不可将位移视为
条件。主梁弯矩的内力状态合理情况下,其挠度不一定是零,
在特定的弯矩状态下,系杆的位移是可以抵消的,最常用的方
法就是在施工的时候,进行反向预拱度的设置[3]。在施工的时候,
因为吊杆预张力的作用,可能会造成桥梁拱肋向下发生形变,
这样在成桥以后,桥梁各个构件的线型就可能不能更好地满足
事先所要求的期望值,为了更好地改善这点不足之处,拱肋就
必须要根据吊杆的张力情况设置出相应的预拱度,所以将系杆
等截面的内力值当做是其的控制条件更为合理。比如说,可以
将吊杆和系杆之间的连接点处的系杆弯矩值当做控制的目标变
量,同时,对于系杆内部预应力钢筋和混凝土的收缩和徐变作
用力也要做出必要的考虑,这样,吊杆的初始张拉力就能够使
结构在恒载作用下,保证系杆内部的弯矩能够到达所期望的内
力状态。
2.中承式系杆拱桥吊杆张拉施工控制原理
根据上面所提到的条件可以对吊杆树立所要满足的系杆控
制目标期望值进行求取,这个期望值可以作为所有吊杆瞬间同
步施工时所产生的张力。但是在实际当中,系杆拱桥的吊杆在
张拉的时候,吊杆是分批进行张拉的,在此过程中会有结构的
形变、内力的重新分布以及系杆支承体系的转换等作用,前期
张拉吊杆的作用会对后期吊杆的张拉束力产生直接的影响,而
在后期,张拉吊杆也会对前期施工过程中吊杆的束力产生较为
直接的影响。这些影响都会对全部吊杆张拉完毕后的力学性能
产生影响,这将直接造成吊杆不能适应和满足控制条件下的内
力状态,这样就需要进一步对各个吊杆的束力进行调整[4],这
无疑是一件十分耗费时间和精力的事儿。所以,可以对吊杆施
工阶段的相关信息做出人为规定,对该阶段的吊杆结束施工张
拉工作以后,当所有的吊杆张拉完成以后,对于各个施工阶段
当中的吊杆返回张拉不必做出调整,这样就能够更好地达到预
期的目的,而且还可以节省一定的施工费用,减少施工时间,
提高施工效率。
3.差值迭代法在中承式系杆拱桥吊杆张拉控制中的应用
    在设计中给出合理的成桥吊杆索力,然后采用刚性支撑
的连续梁法将一组吊杆支撑点的反力进行计算,将其作为吊杆
张拉力迭代的初始值。按照差值迭代法的原理对其进行迭代计
算,一直到满足其精度的要求为止,以实现其对吊杆张拉力的
有效控制。
4.中承式系杆拱桥吊杆张拉控制计算及偏差分析
对中承式系杆孔桥吊杆的张拉控制计算一般常采用的是绝
对标高法和相对标高法。就目前来说,绝对标高法用的较为普遍,
此外在连续的钢构、连续的梁桥、斜拉桥等立模的时候,偶尔
会选择相对标高法。本研究简单谈谈绝对标高法对吊杆横梁梁
高的控制,可以根据公式来进行计算:
①H1=HS+HJ-△-H1;
②H2=HS+HJ-Ht。
在上述公式当中,H1为张拉外侧吊杆时横梁定位的标高,
而H2是张拉内侧吊杆时候横梁定位的标高。HS是吊杆横梁设
计的标高,HJ是施工的预抬量。△为张张拉内侧吊杆所引起的
标高的抬高量。Ht是温度影响吊杆的长度量,当温度高于设计
温度的时候,为正值。在设计中,如果Hj从吊杆横梁吊装开始
完成,那么后续的吊杆横梁和后续的二期荷载引起的吊杆横梁
标高的变化量等数值都会通过有效的模型计算得到。后续二期
的荷载主要包括系杆和支撑架、桥面的铺装层和桥面的π板等
桥面系重量值。△数值为外侧吊杆力变化横梁的四分之一重量
时,对应的弹性伸长量就能够根据在安装时候的平均温度得到。
这样就能够对没跟吊杆横梁的初始定位高进行确定,然后计算
出其它数值。
5.中承式系杆拱桥吊杆张拉过程中常见问题处理
在其张拉过程中,这一类吊杆的横梁主要采用箱型截面,
这样就能够在很大程度上将后横梁的侧倾程度降低。如果吊杆
横梁内外侧的吊点改为纵桥向的吊点,那么就能够将吊起后横
梁的侧倾程度降低。在设计通过的前提下,可以对空气中预应
力张拉次数进行减免,如果控制中张拉预应力需要钢束,那么
在设计的时候就应该对张拉的空间做出考虑,对于同编号的双
孔道钢束,应该进行对称张拉的处理。在进行吊装和空中张拉
的时候,要确保结构安全,为此需要降低量体压应力的水平。
施工中,施工单位应该尽可能地将施工误差降到最低,如果预
应力的孔道出现偏差、涨模等,就需要对索管进行精确的定位。
此外,在施工中,施工单位还应该做好电杆横梁预制阶段应该
选择的级配,选择合适的粗骨料,要尽可能避免因为钢筋密集
所造成的漏筋、麻面和蜂窝等现象。
三、工程实例运用和建模分析
本研究以贵广铁路桂林北到定江右客车联络线特大桥为例,
该桥的上部结构设计是Lp=68m,预应力混凝土系杆拱,全长
70m,理论矢高比13.6m,矢跨比为1/5,拱轴线为二次抛物线
(y=x2/85),系杆与拱肋的刚度比15.0:1,按刚性梁刚性拱计算。
梁部划分为10个节间,除端节间长10.2m外,其余节间长6.2m,
拱肋中心距为7.93m,净宽6.93m。梁横向为单箱双室,跨中梁
高2.5m,梁底宽8.53m,梁顶宽8.53m;梁端部加高至3.0m。
跨中箱梁顶板厚30cm,底板厚为30cm,中腹板厚度为30cm,
边腹板厚为60cm,在梁端部加厚。
在对该桥进行施工的时候,①采用支架对其主梁混凝土进
行浇注,且主梁的重量全部由支架来承担;②对主梁的第一批
预应力进行张拉;③采用支架浇注拱肋混凝土;④对主梁第二
批预应力进行张拉;⑤安装张拉吊杆,按顺序,逐对对称进行;
⑥对张拉主梁的第三排预应力张拉;⑦依然对张拉吊杆进行顺
序逐对张拉;⑧开始拆除支架。
之后,开始对该桥梁建模,采用斜拉结构专用分析程序
SCDS进行一次成桥模型的建立,具体情况请参见图1。将系梁、
拱肋、吊杆和二期恒载等都在第一个阶段内施工完成。在各吊
杆位置设60cm后横隔板,在箱梁端部设3.0m端横梁,横隔板
与端横梁中部设有供检查人员通过的进人孔洞。拱肋为钢筋混
凝土构件,工字形截面,高1.8m,拱趾处加高至2.8m;拱肋宽
1.0m。两拱肋之间3、5、7共三个节点设钢筋混凝土横撑与拱
肋连接。横撑为工字形截面,高1.6m,宽0.8m,在与拱肋交接
处采用折线过渡,以避免角隅处应力集中。系梁采用桥面元进
行模拟,拱肋采用塔元模拟,吊杆则利用斜索元进行模拟。
吊杆采用柔性吊杆,圆形截面,外径8.4cm,其构成为
GJ15-12新型环氧喷涂整体挤压成束钢绞线,由12根Φ15.2环
氧喷涂钢绞线组成,fPK=1860Mpa。外套大小HDPE套管,其
间填充防腐油脂,吊杆锚头防水防腐保护罩,吊杆外露部分用
不锈钢护套包裹以免意外或认为损坏。吊杆采用在拱肋顶单端
张拉。采用锚具GJ15-12型锚具锚固,YC200A型千斤张顶张拉。
吊杆采用有专利的大厂产品,吊杆下端设置CLY液压型传感器,
以监控索力变化情况。
四、结语
通过本研究可以得出,差值迭代法是一种最佳的计算吊杆
拉力的方法,能够促使成桥更加符合设计的要求。在施工当中
只需要保证吊杆出张拉力的结构受力安全,施工控制对张拉力
的取值大小不做特殊要求,所以按照设计所给出的张拉力和张
拉顺序就能够进行张拉。此外,根据无应力状态法,通过对吊
杆索长量的控制和调整,可以保证吊杆的到位张拉更加的方便
快捷。对于中承式系杆拱桥吊杆的张拉施工控制,还需要在实
践当中通过施工人员的细致工作和探索加以保证,希望能给广
大工作人员以借鉴参考。

参考文献:
[1]黎靖.连续梁拱组合结构柔性吊杆张拉力的确定[J].工程建
设,2012,15(03):187-188.
[2]秦顺全.斜拉桥安装无应力状态控制法[J].桥梁建
设,2013,25(02):145-146.
[3]彭宣茂.系杆拱桥吊杆初始张拉力的计算方法[J].水利水电
科技进展,2010,32(06):548-549.
[4]刘东升.系杆拱桥极限承载力参数研究[J].交通标准
化,2014,12(09):352-353.
 

刘贞雷
中铁十二局集团第四工程有限公司  陕西西安  710021
 

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