飞燕式钢管砼拱桥系杆与吊杆施工分析与控制

1、2009年度优秀施工论文（技术总结） 【飞燕式钢管砼拱桥系杆与吊杆施工分析与控制】飞燕式钢管砼拱桥系杆与吊杆施工分析与控制【内容提要】102国道跨伊通河大桥为主跨158m的飞燕式异型钢管混凝土拱桥，本文结合该桥介绍了钢管混凝土拱桥系杆与吊杆在施工中的关键问题。利用midas软件模拟了主桥系杆施工的张拉过程，模拟中考虑了桩-土的相互作用对结构受力及变形的影响。提出了考虑张拉顺序时吊杆张拉力的计算方法，该方法可以满足各吊杆均匀张拉的原则，并以此确定了本文桥例的吊杆张拉力。通过比较考虑张拉顺序与未考虑张拉顺序时吊杆张拉长度的分析结果，证明了张拉顺序对吊杆张拉力及张拉长度的确定有较大影响。【关 键 词

2、】钢管混凝土拱桥、midas、系杆张拉、吊杆张拉、张拉顺序1. 工程概况1.1 吊杆102国道跨伊通河大桥主桥共设16对吊杆，吊杆规格均为lzm7-61型，索体采用pes(fd)系列新型低应力防腐拉索（见图1）。该索体是采用双层hdpe防护的全防腐索体，双层hdpe之间设一隔离层，索体钢丝内注防腐油脂。吊杆索体规格为pes(fd)7-61，每根拉索均由61根7毫米镀锌高强低松驰预应力钢丝组成。吊杆顺桥向间距6米，同一断面横桥向布置两根吊索，分别锚固在主拱拱肋和主梁钢锚箱内，主梁处为张拉端，其横桥向间距为4.4米，主拱处为固定端，其横桥向间距为0.7米。标准抗拉强度为fpk=1670mpa。拉索

3、锚具采用lzm7-61l冷铸墩头锚。图1 吊杆、系杆布置图吊杆安装需要先把吊杆用吊车运到预定的位置，将吊杆用特制的连接头与钢丝绳联接，用卷扬机将吊杆吊至预埋管下，拱肋下工作平台上的人员将吊杆对正预留管口，点动卷扬机缓慢起吊（可以辅以倒链就位），直至吊杆提至拱肋上方，安放垫圈，拧上吊杆工作螺母，放下吊杆。如图2。固定端安放完毕后，钢箱梁上工作人员让吊杆下锚头顺利就位，然后安装垫圈，拧上张拉端螺母。按设计要求张拉，使桥面标高达到设计要求。采用4台ycw200千斤顶对称同时张拉同一编号的吊杆，张拉以控制线形为主，控制张拉力为辅，如图3。图2 吊杆安装示意图图3 吊杆张拉示意图1.2 系杆全桥在中央分

4、隔带区域桥面上设置了6根水平系杆，两端锚固于边跨混凝土箱梁梁端横梁处梁顶锚体之上。系杆索体采用pes(fd)新型低应力防腐拉索，系杆索体与吊杆索体索体一样采用双层hdpe防护，双层hdpe间设置有隔离层，索体钢丝内注防腐油脂。索体规格为pes(fd)7-199，每个拉索均由199根7mm镀锌高强度低松驰预应力钢丝组成，标准抗拉强度为fpk=1670mpa。拉索锚具采用lzm7-199l冷铸墩头锚。系杆的张拉要严格按监控单位提供的张拉顺序进行张拉。安装撑脚、千斤顶和高压油泵，结合实际进度要求分阶段张拉。用2台650t千斤顶在两端进行同步张拉, 张拉力控制为主，张拉控制以变形为辅。系杆张拉时虽能在

5、张拉端较好地平衡拱脚水平推力产生的位移，但因其张拉位置较拱脚距离较远，导致中间区域（混凝土箱梁和v构）被动承受较大压力，施工时要对v构混凝土的受力情况进行监控。系杆减振器的安装应在张拉前进行，减少索力因预埋管偏位造成安装困难，如图4。由于桥面系、吊杆与拱肋之间组成超静定体系，吊杆受力复杂，吊杆的张拉顺序对其最终内力影响较大，需要在施工前通过计算确定吊杆的张拉方案和张拉力。系杆和吊杆是整个拱桥体系中的重要部分，确定其施工方案和张拉力亦成为本工程的难点，因此需深入研究。本文采用大型通用有限元软件midas/civil2006建立了伊通河大桥主桥的有限元模型（见图2）。模型中拱肋、v构、承台、桥面系

6、主梁以及桩体均采用梁单元建模，系杆和吊杆采用只能受拉的桁架杆单元模拟，桩土相互作用利用弹簧单元考虑。图4 系杆张拉示意图图5 伊通河大桥midas有限元模型2. 系杆施工过程分析与控制系杆张拉力主要由拱桥在拱脚处产生的水平推力控制，在拱肋施工过程中，拱脚处水平推力随施加在拱肋上的竖向荷载变化而改变。为平衡拱脚处水平推力，需要根据施工顺序对系杆进行多次张拉，伊通河大桥主拱肋的施工顺序如表1所示。表1 系杆张拉力计算结果施工顺序施工步骤施工顺序施工步骤施工顺序施工步骤1搭设主跨主梁（钢箱梁）支架8主拱支架脱空15涂装拱肋2吊装、焊接主跨主梁9灌注主拱肋混凝土16梁上支架拆除3搭设主拱支架10安装吊

7、杆、张拉吊杆及系杆17安装桥面系及附属4吊装、焊接主拱11搭设稳定拱支架18张拉系杆5搭设主跨主梁两侧支架12吊装、焊接稳定拱19涂装梁底6吊装两侧主梁梁段13安装横撑、斜撑20拆除梁底排架7穿系杆、初张拉14张拉系杆由以上施工步骤可知，伊通河大桥拱肋施工过程中需四次张拉系杆，其中第一次为初张拉，对系杆内力无影响，因此本文只计算后三次系杆张拉时的张拉力（如图6）。a 第一次张拉（主拱肋施工） b 第二次张拉（稳定拱施工） c 第三次张拉（桥面系支架拆除）图6 系杆张拉时的施工步骤图系杆张拉时张拉端变形由其下部结构在拱脚水平推力作用下产生的水平位移控制，而土体对桩体的变形限制是决定下部结构在拱脚

8、水平推力作用下水平位移的关键因素。本文采用弹簧单元模拟土体对桩体的变形限制，弹簧刚度通过m法确定。伊通河大桥桩侧土体为粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，m=100300mn/m4，取200mn/m4。模型中将箱梁自重与桥面铺装荷载平均分配到相应吊杆与拱肋的交点处。根据上述方法，并考虑施工过程对结构的影响，计算得到三次系杆张拉力如表2所示。由表2的计算结果可知，施工过程中系杆张拉完成后应力为450.3mpa，小于0.75fpk=1253mpa，满足设计要求。张拉过程中桩顶变形最大为0.162mm，张拉端水平变形最大为0.019mm，可见在表中所列系杆张拉力作用下桩顶变形可以满足设计要求，张拉端水平位移基本

9、能够恢复。值得注意的是，系杆张拉虽然能够在张拉点处平衡拱脚产生的水平推力，但从拱脚至张拉点区域内的混凝土箱梁承受了较大的轴向力，最大为19598kn，应当给予重视。表2 系杆张拉力计算结果张拉顺序张拉力张拉端变形桩顶变形系杆应力一次张拉2800kn0.019mm-0.132 mm365.5mpa二次张拉200kn0.009mm-0.143 mm391.6mpa三次张拉450kn0.019mm-0.162 mm450.3mpa3. 吊杆施工过程分析与控制3.1 吊杆张拉原则伊通河大桥桥面系采用整体式钢箱梁，在各个方向均具有较大的刚度，因此按照不同的张拉原则张拉吊杆会使各吊杆的张拉长度及张拉力不同

10、，进而引起拱肋线形的差异。所以，计算吊杆张拉力的首要问题是给出吊杆的张拉原则。为使各吊杆受力均匀，本文采用将钢箱梁荷载平均分配到各吊杆作为吊杆的张拉原则。3.2 吊杆张拉顺序由于伊通河大桥的吊杆数量较多，施工时不可能同时张拉所有吊杆，而后张拉的吊杆在张拉时会引起已张拉吊杆的预应力损失。本文假设吊杆张拉顺序如图7所示，即从跨中向两边对称张拉，张拉过程中每根吊杆仅张拉一次。图7 桥面系、吊杆与拱肋之间形成受力体系及吊杆的张拉顺序3.3 吊杆张拉长度计算由上述吊杆张拉原则及张拉顺序可知，第n根吊杆的张拉长度xn可按下式计算：，其中 式中ni为第i根吊杆张拉时引起第n根吊杆的预应力损失长度；ea为吊杆

11、的抗拉弹性模量；ln为第n根吊杆张拉前初始长度；xn为第n根吊杆张拉长度；g为单段钢箱梁自重。根据上述的计算方法，经过多次迭代6，得到吊杆张拉长度结果如表3，显然吊杆张拉长度由跨中向两端依次递减，而最终所得的吊杆张拉力基本相同，说明本文提出的吊杆张拉原则可行。需要指出的是，表3中的吊杆张拉长度是根据本文所述的张拉原则计算得到的，按不同的张拉原则和顺序计算会得到不同的结果。表3 吊杆张拉长度计算结果吊杆编号张拉长度（mm）初始张拉力（kn）最终吊杆力（kn）吊杆编号张拉长度（mm）初始张拉力（kn）最终吊杆力（kn）1130.036622460.0581.830732460.02102.4301

12、62460.0678.831892460.0386.827802460.0768.630952460.0482.028662460.0852.428062460.03.4 计算结果检验为证明上述计算结果的正确性，利用midas软件对吊杆张拉全过程中吊杆张拉顺序及张拉力进行了模拟，其有限元模型如图8所示（仅取张拉过程中的某一工况）。 图8 吊杆张拉施工中的某一工况采用该方法模拟施工过程需要采用“初始张拉力”的方法定义吊杆张拉力，即将张拉长度转化成张拉力施加在各吊杆上。根据上文所述公式，由表3中吊杆张拉长度换算成张拉力值见表4。为模拟钢箱梁施工时下部支架对钢箱梁的支撑作用，采用约束竖向位移的方法限

13、制钢箱梁竖向变形，并通过计算结果中支座反力的正负判断钢箱梁重力荷载传递到吊杆中的比例。另外本文为考虑施工过程对吊杆张拉长度的影响，计算了未考虑施工顺序时吊杆的张拉长度。表4 吊杆张拉长度检验结果吊杆编号未考虑吊杆张拉顺序的张拉长度（mm）考虑张拉顺序张拉吊杆的检验结果张拉长度（mm）初始张拉力（kn）最终吊杆内力（kn）1109.9130.0366224502107.0102.4301625343101.286.827802453493.082.028662422582.681.830732465670.578.831892526757.468.630952551844.252.4280625

14、193.5 计算结果分析表3及表4的计算结果表明，跨中吊杆张拉长度最大为130mm，靠近拱脚处最小为52.4mm，其余吊杆张拉长度由跨中至拱脚处依次递减。由表4中计算所得各吊杆最终内力值与表3中计算值差别最大的为杆7，相差约3%，各吊杆间最终内力值差别最大的为杆4与杆7，相差约5%，基本满足各吊杆受力均匀的张拉原则。表4中未考虑张拉顺序的吊杆张拉长度与考虑张拉顺序的结果最大相差20%，差距较大，可见在确定吊杆张拉力时应当考虑吊杆张拉过程及张拉顺序的影响。4. 结论本文以102国道跨伊通河大桥为例，介绍了飞燕式钢管混凝土拱桥吊杆与系杆张拉的相关问题，并利用有限元软件对其张拉过程进行分析，得到结论

15、如下：飞燕式钢管混凝土拱桥系杆施工时，应根据设计要求分步骤多次张拉，在本文所确定的张拉力作用下整个张拉过程中能满足张拉端以及桩顶位移要求；系杆张拉完成后，拱脚至张拉端的箱梁会产生较大的轴向力，今后的设计和施工中应加以控制；提出了考虑张拉顺序时吊杆张拉长度的计算公式，计算结果能保证各吊杆最终内力结果相差不大，且靠近拱顶吊杆的张拉长度大于靠近拱脚处的吊杆；计算所得未考虑张拉顺序的吊杆张拉长度与考虑张拉顺序的计算结果差异较大，应当考虑张拉顺序对吊杆张拉长度的影响。 【参考文献】1陈德来，钢管混凝土简支系杆拱桥系杆张拉力控制，j. 市政技术，2007，04：259-261.2王光明，钢管混凝土拱桥系杆施工技术，j. 华东