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 周連偉

 (大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連116011)

摘要：梁拱組合橋梁為內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，針對(duì)其施工過(guò)程受力特點(diǎn)，通過(guò)影響矩陣法優(yōu)化吊桿張拉順序模擬施工過(guò)程，預(yù)測(cè)出每個(gè)施工階段的內(nèi)力及變形，為吊桿張拉施工控制提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：影響矩陣法張拉順序；梁拱組合橋梁；內(nèi)力影響

中圖分類(lèi)號(hào)：U448216 文章編號(hào)：1004-4655( 2016) 02-0096-03

 無(wú)橫梁橋面系梁拱組合橋梁是現(xiàn)代交通工程中一種新穎的橋型。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市橋梁不再僅是功能上的需求，外形的新穎和景觀要求也越來(lái)越成為備受重視的因素，梁拱組合橋梁的優(yōu)點(diǎn)正好迎合這種需求，但是梁拱組合結(jié)構(gòu)的橋面剛度較常規(guī)拱橋大，使得吊索內(nèi)力和變形計(jì)算趨于復(fù)雜。

1工程實(shí)例簡(jiǎn)介

 新建橋梁位于現(xiàn)有北崗橋的東側(cè)，跨越3條鐵路線，由北向南分別為沈大下行線、沈大上行線、聯(lián)絡(luò)線，3條線路均為電氣化鐵路。同時(shí)有4條道路與該橋梁連接，分別為北側(cè)與北崗街、雙興街相連，南側(cè)與鞍山路、新開(kāi)路相接。

 新建橋梁全長(zhǎng)38 m，寬27 m，雙向6車(chē)道；橋梁結(jié)構(gòu)為一孔下承式鋼管混凝土梁拱組合式拱橋，其拱軸線為二次拋物線，矢高9m，計(jì)算跨徑36 m，矢跨比1/4。共分2幅，每幅橫向設(shè)兩根鋼管混凝土拱肋，全橋共4根。

 每個(gè)拱肋下設(shè)8根吊桿，順橋向吊桿間距均為4m，采用冷鑄錨式吊桿系統(tǒng)。

 根據(jù)沈陽(yáng)鐵路局電氣化鐵路凈空必須保證6.8 m的設(shè)計(jì)要求，新建橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高比原橋高出1.78 m，而橋梁兩側(cè)均斜交路口，特別是南側(cè)距離北崗橋橋頭20 m，北側(cè)距離北崗橋橋頭為17.0 m。

 為了保證與兩側(cè)現(xiàn)有道路的順接，需最大限度地減小橋面系厚度，降低橋面標(biāo)高。新建北崗橋平面圖見(jiàn)圖1。

 橋面采用無(wú)橫梁橋面系，由現(xiàn)澆混凝土縱梁和現(xiàn)澆整體式空心板組成（將橫梁消隱在空心板中）。

 將橋面標(biāo)高由20.64 m降低至20.24 m，兩側(cè)順接道路縱坡由6.2%減小至4.1%，對(duì)橋面的通行能力和行車(chē)舒適性有非常大的改觀。新建北崗橋立面圖見(jiàn)圖2。

2吊桿初張拉順序的優(yōu)化

 系桿拱結(jié)構(gòu)有3種類(lèi)型：柔性系桿剛性拱、剛性系桿柔性拱、剛性系桿剛性拱。為了便于分析，本文忽略風(fēng)撐、橫梁等的影響，將空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題。在吊桿張拉施工過(guò)程中，由于設(shè)備、人員不足等因素使吊桿的張拉往往不能同時(shí)進(jìn)行，在張拉某一根（或一組）吊桿時(shí)，拱肋、系梁以及已張拉完成的吊桿將產(chǎn)生新的變形，從而使已完成張拉的吊桿內(nèi)力發(fā)生變化。這一變化的變量還與施工選擇的張拉方案有關(guān)，即與各吊桿的張拉順序和張拉力的大小有關(guān)。如果選擇不當(dāng)，施工時(shí)吊桿內(nèi)的實(shí)際內(nèi)力有時(shí)竟會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)值的5倍～7倍。

 1)考慮張拉過(guò)程結(jié)構(gòu)的變化每一次張拉完成后應(yīng)將已張拉完成的吊桿加入原結(jié)構(gòu)中形成新的結(jié)構(gòu)，下一次張拉針對(duì)新的結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)。

 2)在張拉過(guò)程中，吊桿實(shí)質(zhì)上的受力是柔索，一般柔索不能承受壓力，但對(duì)于已張拉完成的吊桿來(lái)說(shuō)，后面的張拉對(duì)其影響實(shí)質(zhì)上是該吊桿的兩端發(fā)生相對(duì)位移，簡(jiǎn)稱(chēng)為柔索的桿化。桿化所得桿件的抗壓剛度等于其抗拉剛度，抗彎剛度為0。

3)應(yīng)用影響矩陣法進(jìn)行吊桿索力優(yōu)化計(jì)算。

 通過(guò)吊桿力發(fā)生單位變化得到索力影響矩陣

 根據(jù)線性疊加原理，建立索力、實(shí)測(cè)索力以及施調(diào)索力之間的向量關(guān)系，見(jiàn)式(2)。

因?yàn)閺埨�每一根吊桿時(shí)，不但改變自身和其他吊桿的索力，同時(shí)橋梁的結(jié)構(gòu)也隨之變形。為了避免調(diào)索期間橋梁局部應(yīng)力不能過(guò)大，在考慮橋梁總體變形的同時(shí)，還要保證橋梁局部變形不能過(guò)大。所以，在張拉吊桿時(shí)需要設(shè)定一定的張拉順序，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全合理。在假定結(jié)構(gòu)變形可以線性疊加的前提下，控制矩陣見(jiàn)式(3)。

吊桿張拉順序選擇步驟見(jiàn)圖3。

 根據(jù)上述原理，編寫(xiě)Matlab程序進(jìn)行迭代分析，確定張拉順序（見(jiàn)表1）。

8根吊桿，4組對(duì)稱(chēng)張拉，共有16組張拉順序，通過(guò)下面幾組數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)說(shuō)明計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2）。

為便于觀察，將最終索力以圖4表示。

 由圖4可以看出，不同的張拉順序?qū)Φ鯒U內(nèi)力影響比較大，第四組吊桿最大索力超出張拉力42%，而第一組僅為28%。

3施工階段的張拉控制驗(yàn)算

 雖然對(duì)吊桿的張拉順序進(jìn)行分析和優(yōu)化計(jì)算，確定張拉順序是為了控制施工階段各構(gòu)件內(nèi)力分布合理，應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)，但是施工各階段的驗(yàn)算是確保施工過(guò)程的安全可靠。

主要施工階段的應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖5~圖10。

 經(jīng)過(guò)對(duì)各施工階段的模擬計(jì)算，在吊桿初張拉階段（第六階段），由于吊桿不能同時(shí)張拉，根據(jù)表1確定的張拉順序初次張拉吊桿，若初次張拉力過(guò)大，拱肋在沒(méi)有預(yù)壓軸力的狀態(tài)下，應(yīng)力會(huì)過(guò)于集中，表現(xiàn)吊點(diǎn)彎矩過(guò)大，吊點(diǎn)的鋼管和鋼管內(nèi)混凝土應(yīng)力比較大。但現(xiàn)行規(guī)范中還沒(méi)有明確規(guī)定。為了安全起見(jiàn)，對(duì)鋼管內(nèi)的混凝土沿襲鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制，吊桿初次張拉階段應(yīng)小幅多次張拉，以控制拱肋上鋼管和鋼管內(nèi)混凝土的應(yīng)力。本工程的吊桿初張拉力應(yīng)≤60 k N，并分次張拉至200 k N、300 k N，直到拱肋管內(nèi)全面受壓。從圖5和圖6可以看出，在初次張拉60 k N階段，管內(nèi)混凝土下緣最大拉應(yīng)力2.00 M Pa<1.15f’tk=3.15 M Pa，基本滿(mǎn)足規(guī)范要求。以后各階段張拉力增加幅度應(yīng)≤200 k N，原則是“多次、小幅”張拉，避免拱肋上應(yīng)力變化過(guò)大。

 如圖7~圖10所示，初張拉后，其他各施工階段拱肋管內(nèi)混凝土基本不存在拉應(yīng)力，大壓應(yīng)力均未超過(guò)0.7f’tk=24.85 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

 另外，因?yàn)榱汗敖M合結(jié)構(gòu)的特殊性，受力比較復(fù)雜，索力對(duì)外力比較敏感，所以索力調(diào)整誤差需嚴(yán)格控制在±5%以?xún)?nèi)。

4結(jié)語(yǔ)

 1)無(wú)橫梁橋面系梁拱組合橋梁張拉順序?qū)Φ鯒U內(nèi)力影響非常大，應(yīng)在橋梁的施工中引起充分重視，必須遵循“多次、小幅”張拉的原則，避免吊桿應(yīng)力分布不均造成部分吊桿過(guò)早疲勞破壞。

 2)梁拱組合結(jié)構(gòu)的特殊性，受力比較復(fù)雜，索力對(duì)外力比較敏感，索力調(diào)整誤差需嚴(yán)格控制在±5%以?xún)?nèi)。

 3)應(yīng)用影響矩陣法選擇優(yōu)化的張拉方案，使得施工過(guò)程中的吊桿最大張力與設(shè)計(jì)值之比為最小。通過(guò)編程迭代基計(jì)算，提供一種梁拱組合橋梁吊桿張拉順序的方法。通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證該方法是合理可行的，為類(lèi)似的工程提供一定的參考思路。