广元嘉陵江双线特大桥吊杆张拉研究

桂成中，张永水

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

1 工程概况

下承式拱辅梁桥由于造型美观，有利桥下通航等优点，是工程上常用的一种桥梁结构形式。新建兰渝铁路线广元嘉陵江特大桥［1］属于此种单箱单室预应力混凝土拱辅梁桥的结构形式，其跨径为(82+172+82)m，在同类型铁路桥梁中目前位居全国首位。该桥预应力混凝土连续梁中跨支座处截面高为10 m，中跨跨中处高为4.5 m;底板宽均为9.8 m，翼缘板除支点局部加宽外，宽均为13 m。钢管混凝土拱肋计算跨度为172 m，设计矢高为34.4 m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次拋物线;拱肋采用3.1 m高哑铃形等截面。拱肋弦管及缀板采用Q345qD钢，拱肋弦管拱脚处规格为Φ1100 mm×24 mm，拱脚之间弦管规格为Φ1100 mm×20 mm，弦管之间用δ=16 mm厚钢缀板连接，缀板外边距700 mm，拱肋弦管及缀板内填充C50微膨胀混凝土。两榀拱肋间横向中心距11.2 m。桥顺桥向和横桥向共设19对吊杆，自中至边吊杆顺桥向间距为8 m，吊杆采用OVM.GJ15-31钢绞线整体挤压拉索。本桥按照先梁后拱，再张拉吊杆及施加二期恒载的顺序施工。全桥梁拱布置如图1。

图1 广元嘉陵江双线特大桥梁、拱布置(单位:cm)Fig.1 Arch and girder layout of Guangyuan Jialing River double-line large-span bridge

2 吊杆张拉有限元研究方法

2.1 正装迭代法

处理拱辅梁桥施工阶段吊杆张拉问题的方法通常有正装迭代法、无应力状态法、倒装法及影响矩阵法等。因正装迭代法简便可行，收敛快且效果好，能较好地反映出吊杆张拉过程中力学特性，故笔者采用此法进行吊杆张拉计算与研究。

正装迭代法的基本思想可概括为:本次预设张拉力作用下的吊杆内力与设计目标索力比较，若其差值在规范规定误差范围外，将此差值与本次预设张拉力的叠加值作为下次张拉力，按此方法，进行若干次迭代，便可得到规范规定误差范围内的施工阶段理论张拉力。由于吊杆目标索力已知［1］，笔者在差值迭代法基础上对其进行改进，将吊杆目标索力作为假定索力，进行若干次迭代，得到吊杆理论索力［2-4］。其数学表达式为:

式中:K为规范规定允许误差，一般取5%;［Ti］为第i次吊杆张拉完吊杆内力矩阵;［T0］为吊杆设计目标索力矩阵。

2.2 有限元计算模型介绍

本桥主要采用MIDAS/CIVIL进行施工阶段模拟，计算模型以连续梁施工完毕及钢管混凝土拱肋安装结束作为初始状态，按照一定顺序及方法张拉吊杆及施加二期恒载，得到各阶段计算数据。

全桥连续梁及钢管混凝土拱肋采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟。连续梁混凝土强度等级为C55，吊杆计算截面采用换算后有效截面，其fpk为1 860 MPa。吊杆对应的编号D1～D10如图2，其中横桥向两榀拱肋上吊杆编号对应相同。

图2 吊杆编号Fig.2 Boom number

3 吊杆张拉方案

3.1 吊杆张拉方法及顺序

关于吊杆张拉顺序，研究认为，对吊杆力的最终结果而言，与张拉的次序是无关的［5-6］。故在一定范围内吊杆在不同张拉顺序不同张拉方法下均可得到相同目标索力，笔者按此方法进行结构计算分析。

吊杆张拉方法受场地条件、现场设备数量及规格、技术人员配备、拱梁力学特性和经济性等影响较大，故张拉方法繁多。结合目前采用的一次张拉法、二次张拉法及多次张拉法，分别计算研究各方法张拉效果。

一次张拉法，因其在经济方面占有优势，张同飞［7］将其作为吊杆张拉的首选方法，并建议泰州大桥实际吊杆张拉中采用此方法。为验证其可行性，笔者计算中亦将该方法与其他方法相对比。因二期恒载施加时机对梁的应力位移影响较大，计算中按照二期恒载在吊杆张拉前、张拉后施加两种方案考虑。两种方案均采用8台千斤顶沿横桥向及顺桥向对称均衡同步张拉，其张拉顺序按照吊杆D5、D10→D4、D9→D3、D8→D2、D7→D1、D6 进行。

二次张拉法分初始张拉及最终张拉两个阶段。计算中二期恒载在初张拉之后、最终张拉之前施加。张拉顺序与一次张拉法相同，每根吊杆进行二次循环张拉。

多次张拉法经初始多次调整张拉、二期恒载及最终多次调整张拉3个阶段。此方案采用4台千斤顶按照吊杆 D1→D3→D5→D7→D9→D2→D4→D6→D8→D10的张拉顺序多次调整张拉力直至设计目标索力。本桥设计施工图中选择多次张拉法，要求在加初张力后每次张拉调整值不大于100 kN。

3.2 吊杆张拉方案选取

文献［2-7］重点研究吊杆张拉本身的力学特性变化情况，而对二期恒载施加时机对拱、梁的影响未做具体分析。而铁路桥梁中二期恒载达到181 kN/m，其荷载所占比重较大，有必要对施加二期恒载在吊杆张拉前后的状况进行前进和倒退分析。

拟采用4种方案:方案1为一次张拉法(二期恒载在吊杆张拉后施加);方案2为一次张拉法(二期恒载在吊杆张拉前施加);方案3为二次张拉法(二期恒载在初始张拉后最终张拉前施加);方案4为多次张拉法(二期恒载在初始张拉后最终张拉前施加)。

在进行4种方案比选时，效果评估准则为:每调一对索时，应尽量使整个结构的内力和挠度变化幅度最小，并在结构安全的范围内［8］。

4 吊杆张拉效果分析

4.1 吊杆内力情况

对以上设计方案，通过若干次迭代，控制吊杆成桥索力与设计成桥索力偏差在控制范围内，得到成桥计算索力。在正装迭代过程中，对吊杆最大计算索力与吊杆设计成桥索力进行比较，根据吊杆内力变化幅度，判定方案合理性。拱肋1/4处及拱顶处吊杆张拉过程中最大内力比较见表1。

表1 D5及D10吊杆最大索力比较Table 1 Maximum internal force comparison of the boom D5 and D10 /kN

由表1可知，方案2中吊杆自身索力变化幅度最大，拱顶吊杆D10甚至达到目标索力的4倍，方案4与目标索力的变化幅度最小，方案1与方案3变化幅度相近。

4.2 吊杆应力情况

4种方案中吊杆张拉及二期恒载施加过程中，吊杆最大应力均发生在D5及D10吊杆处，其最大应力如表2。

表2 D5及D10吊杆最大应力Table 2 Maximum stress of the boom D5 and D10 /MPa

比较表1与表2，内力与应力对应存在相同线性关系，且吊杆最大应力为185.9 MPa，均在吊杆弹性变形应力范围内。但方案2约为方案4的3倍，方案1、方案3均大于方案4。

4.3 拱、梁位移变化情况

由表1及表2可知，方案4吊杆内力应力变化幅度最小，故以方案4为参照方案。将其初始张拉前位移作为初始值，最终张拉完位移作为最终值，得到方案1～方案3位移变化参考范围，以此判断各方案张拉效果的优劣。各方案拱、梁位移变化趋势见图3。

图3 拱顶、梁中跨跨中、梁边跨跨中位移变化趋势Fig.3 Displacement variation tendency of arch mid-span，the middle of girder mid-span and the middle of girder side-span

图3(a)反映了各方案在不同工况拱顶位移变化幅度相近，而图3(b)、(c)方案2的连续梁中跨跨中及边跨跨中的位移变化幅度最大。

4.4 拱、梁弯矩剪力情况

表3、表4中拱肋内力选取拱顶、拱脚及1/4截面内力，连续梁内力选取主墩墩顶、中跨跨中和中跨1/8截面内力。

表3 拱肋及连续梁最大弯矩Table 3 Maximum bending moment of arch rib and girder/(kN·m)

表4 拱肋及连续梁最大剪力Table 4 Maximum shear force of arch rib and girder /kN

从表3、表4可看出，方案2拱肋、连续梁弯矩剪力均大于其它方案，其中拱顶及连续梁中跨跨中截面弯矩及剪力最大为方案4相同截面的3～5倍。方案1、方案3与方案4相比，其内力比值范围为0.77 ～1.29。

4.5 千斤顶张拉力比较

吊杆达到目标索力时各方法所需千斤顶张拉力见图4。

图4 千斤顶张拉力比较Fig.4 Jack’s tension comparison

在吊杆张拉及二期恒载作用下，以上方案比较结果如下:

1)一次张拉法与二次张拉法及多次张拉法相比，虽然吊杆自身拉力与二者初张拉力变化趋势相似，但其值明显大于其他张拉法张拉力，且离散程度大，特别是二期恒载在吊杆张拉前施加的情况，其最大张拉力为2 597 kN，较二次张拉法的最大张拉力大2倍。较大张拉力对千斤顶的加载要求较高，且对施工人员的加载速率控制有较大难度。

2)二期恒载对梁的应力及位移影响较大。经计算，若一次张拉中二期恒载在吊杆张拉之前施加，引起梁的位移最大超过10 cm，且部分应力已经接近设计允许应力，不利于结构安全。故建议二期恒载一般安排在吊杆张拉之后施加。

3)采用二次张拉法，吊杆施加的初张拉力及最终张拉力、拱梁内力位移总体变化趋势相对缓和。初始张拉阶段吊杆自身内力变化趋势类似一次、多次张拉法，且最终张拉阶段的吊杆拉力与多次张拉法阶段相近，张拉效果比较好。

4)多次张拉法虽然能达到比较好的效果，但实际施工繁琐，设备吊装周转调整的次数较多，调索周期长，经济成本较大，文献［7］中亦指出吊杆张拉次数太多，最终的精度不一定好。

5 结语

1)吊杆张拉为拱辅梁桥中重要的一道工序，须经多种详细方案比选，以选择最优张拉方案。如不合理的二期恒载施加时机导致对吊杆自身，拱、梁的影响增大2～4倍;再如不合理的张拉顺序会导致内力变化幅度非常大。

2)通过比选，二次张拉法较其他张拉方法有优势，能较好地保证吊杆自身、拱及梁力学特性均衡变化。在施工工期紧张，且经济性要求前提下，应优先考虑二次张拉法。

3)拱辅梁桥以其自身优势跻身于各种桥型中，发展前景较大。

［1］ 乔鹏，刘忠平.DK588+471.4广元嘉陵江双向特大桥(82+172+82)预应力混凝土连续梁-拱组合桥:第4册第1分册［R］.成都:中国中铁二院工程集团有限责任公司，2010:1-6，21-27.

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