钢管混凝土拱桥施工监控与索力张拉优化

刘治勇

摘要：以新建龙烟铁路跨213省道大桥钢管混凝土简支系杆拱为工程背景，采用有限元进行了全桥施工阶段的模拟分析，给出了主梁、拱肋的预拱度。通过对吊杆的3种不同的张拉顺序方案进行比较，指出间隔式分批对称张拉较为合理，计算得到该方案下吊杆的初始张拉力和主要施工阶段的吊杆内力值，并对主梁施工方案进行了概述。

关键词：系杆拱；施工模拟分析；预拱度；张拉顺序

中图分类号：U448.22文献标志码：B

0引言

新建龙烟铁路跨213省道大桥1～80 m钢管混凝土简支系杆拱起讫里程为DK047+360.65～DK047+443.95，与213省道公路交叉里程为DK047+404.75，铁路线路与213省道公路线路的夹角为41°16′4″，桥下213省道公路下穿通行。

该系杆拱桥下部结构为钻孔桩、承台、圆端形墩柱，每个墩下采用11根直径1.25 m、长16 m的钻孔桩，承台为12.3 m×8.2 m×2.5 m长方体，下部结构采用钢筋混凝土实心墩。桥梁结构形式为简支梁拱组合结构，箱梁总长度为83 m，计算跨径取800 m。主梁截面形式为单箱双室，拱肋截面形式则为哑铃形，采用钢管混凝土结构。拱肋矢高16 m，矢跨比1/5。拱轴线采用悬链线，拱肋上下两钢管中心距为15 m，拱肋截面全高2.3 m，横向中心距为69 m。全桥共设置14对吊杆，第一根吊杆至拱脚的距离为7.5 m，其余吊杆中心相互间距均为50 m。

1施工监控有限元分析

1.1有限元计算模型

采用有限元软件MIDAS CIVIL对该钢管混凝土系杆拱桥的施工阶段进行模拟计算。在建立模型的过程中对实际桥梁结构进行了简化，但并不影响计算的准确性[13]。主梁和拱肋均采用梁单元模拟，吊杆用只受拉索单元进行模拟。计算模型节点总数为110个，梁单元为55个，只受拉索单元为14个。其中，将拱肋截面由原来的双材料钢管混凝土哑铃形截面换算为单一材料的混凝土矩形截面。根据施工图纸并结合该桥实际情况，考虑包括自重、预应力等所有施工阶段荷载，建立全桥有限元模型，对该桥的施工阶段进行了正装分析，得到各施工阶段结构的变形和应力状态。该系杆拱桥单元划分如图1所示。

图1单元划分

1.2有限元计算结果

1.2.1施工阶段累计位移计算结果

根据有限元分析结果，可得主要施工阶段结构的累计位移值及结构变形图，成桥阶段主梁、拱肋累计位移如图2、3所示。

图2主梁累计位移

图3拱肋累计位移

1.2.2预拱度计算结果

根据施工阶段累计位移计算结果，计算出主梁、拱肋的预拱度 （相对于设计标高），分别如表1、2所示。

表1主梁预拱度计算m

X坐标/m收缩徐变1 500 d位移活载竖向最大位移不考虑支架变形预拱度预计支架变形考虑支架变形的预拱度备注

1.500000左支座

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

81.500000右支座

2吊杆张拉顺序优化分析与施工阶段内力计算

2.1吊杆张拉顺序优化分析

由于不同拱桥结构均具有相应的最佳线形和最优受力状态，因此，施工时吊杆张拉顺序及对应的施工张拉力分析和优化就显得尤为重要。通常吊杆初始张拉力的计算都采用试算法，但这种方法计算繁琐，施工参数计算应用适应性不强。随着计算机技术的快速发展，研究人员结合有限元软件，将力学或者数学模型理论应用到实际计算中，求得吊杆的张拉顺序及对应的施工张拉力，为吊杆施工技术的应用提供了良好的理论依据。其中，倒退分析法被广泛应用于该类桥梁吊杆的初始张拉力计算，它以成

表2拱肋预拱度计算m

X坐标/m收缩徐变1 500 d位移活载竖向最大位移不考虑支架变形预拱度预计支架变形考虑支架变形的预拱度备注

1.500000左支座

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

81.500000右支座

桥后的合理受力状态为基础，按逆作施工顺序进行倒拆计算，得到全部吊杆的初始张拉力值，再将这些值按照顺作施工阶段赋予吊杆。经计算分析可知，可以以主梁和拱肋的弯矩值作为控制参数，优选合理的张拉顺序，为吊杆施工工作提供技术保障[37]。

本文给出3种吊杆的张拉顺序方案，通过分析比较3种方案下每个施工阶段拱肋控制关键截面的应力大小，得出最优方案。

方案一：同时从两边拱脚附近的吊杆向拱顶依次分批对称张拉，张拉顺序为：1#→2#→3#→4#→5#→6#→7#。

方案二：同时从拱顶到两边拱脚依次分批对称张拉，张拉顺序为：7#→6#→5#→4#→3#→2#→1#。

方案三：间隔式分批对称张拉，张拉顺序为：6#→4#→2#→7#→5#→3#→1#。

通过有限元施工计算分析，得出3个方案下主要施工阶段拱肋关键控制截面处上下缘的应力。本文给出了拱脚和拱顶附近应力值随施工过程的变化曲线，如图4、5所示。

图4拱脚附近管内混凝土上缘应力变化曲线

图5拱顶附近管内混凝土下缘应力变化曲线

3个方案相比较，如采用方案1和方案2的张拉顺序，拱脚附近管内混凝土的上缘均出现拉应力，其中从两边拱脚到拱顶对称张拉（即方案一），最大拉应力达到2.5 MPa，而方案三拱脚上缘没有拉应力出现；方案一和方案二的张拉顺序引起拱顶附近管内混凝土的下缘均出现拉应力，其中最大为2.2 MPa。拉应力的出现容易导致混凝土开裂。综合考虑，方案三的张拉顺序比较合理。

2.2施工阶段吊杆内力计算结果

通过吊杆张拉顺序的优化分析，确定方案三为吊杆的张拉顺序，即张拉顺序为：6#→4#→2#→7#→5#→3#→1#，通过倒装分析得出吊杆的初始张拉力，如表3所示。表4给出了主要施工阶段吊

表3吊杆初始张拉力kN

吊杆编号1#2#3#4#5#6#7#

初始张拉力550500400500300400300

表4吊杆内力值kN

吊杆编号张拉吊杆6张拉吊杆4张拉吊杆2张拉吊杆7张拉吊杆5张拉吊杆3张拉吊杆1拆除系梁支架二期恒载

1#531550609

2#477479475459446503599

3#383375467591

4#478467461449436432554697

5#286277277421581

6#372358357335321317318478645

7#274260258259427599

杆内力的计算结果。

3箱形主梁总体施工方案

3.1混凝土施工方案

一次完成浇筑，浇筑顺序为：纵向混凝土先从中间向两端进行，先浇筑梁体C55混凝土，再浇筑端部9.0 m的C55补偿混凝土；横向从下往上依次浇筑。为了防止空气滞留，致使梁体混凝土存在空隙，应严格控制混凝土的浇筑顺序、浇筑层厚和振捣时间。

浇筑混凝土进行振捣时，要保证波纹管不发生任何位移，特别是不能上浮，确保后期预应力张拉达到预期效果。应特别注意预埋件的施工，确保梁体混凝土浇筑前完成所有预埋件安装，并保证位置正确。此外，混凝土浇筑应避开温度较高的时间段，一般应在夜间进行施工。

现场取样测定的混凝土坍落度与施工要求的坍落度（16～20 cm）误差范围宜控制在±2 cm内。不合格的混凝土不得在该工程上使用，确保施工和后期运营的安全。

3.2预应力筋张拉方案

采用先横向、再纵向、后竖向的张拉顺序。在实际张拉前应检查孔道曲线，以及张拉设备是否安装正确，锚具和千斤顶否保持在一条直线，以避免发生偏心受拉。张拉程序为：0→10%～20%σcon→σcon→ 持荷5 min。然后，校核锚下张拉控制应力，主油缸回油锚固，副油缸供油卸千斤顶。

4结语

本文对新建龙烟铁路跨省道213大桥（1～80 m）系杆拱桥进行了全桥施工阶段模拟分析和吊杆张拉顺序优化分析，得到以下结论。

（1） 得到各主要施工阶段结构的最大、最小累计位移值及结构变形图，为施工监控提供了理论依据。

（2） 计算了主梁、拱肋的预拱度 （相对于设计标高），保证了成桥后桥梁线形满足设计要求。

（3） 通过对吊杆3种不同的张拉顺序方案进行分析比较，发现间隔式分批对称张拉较为合理，并计算得到该方案下主要施工阶段吊杆的初始张拉力和内力值。

（4） 通过比较施工方案，确定该钢管混凝土简支系杆拱桥采用钢筋一次绑扎、一次浇筑的总体施工方案。

参考文献：

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[责任编辑：谭忠华]endprint