简支系杆拱建模处理对吊杆力及变形的影响分析

付 飞

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)



简支系杆拱建模处理对吊杆力及变形的影响分析

付 飞

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

文章以一座56 m简支系杆拱桥为例，采用midas Civil软件进行建模，分析了简支系杆拱桥箱型主梁用单主梁和梁格法建模、考虑实体拱座和不考虑实体拱座建模对吊杆力及拱肋、主梁等变形的影响，并在施工过程中对吊杆力和变形进行监测，验证建模处理方法的合理性，为同类型桥的建模分析提供参考。

简支系杆拱； 建模； 吊杆力； 变形； 监测

1 主梁介绍

双线钢管混凝土简支系杆拱，上部结构为1～56 m，计算跨径为56 m，主梁全长为58 m。拱肋平面内矢高14 m，矢跨比f/L=1∶4，拱肋线采用二次抛物线，拱肋横断面采用哑铃型钢管混凝土变截面，拱管内灌注C50补偿收缩混凝土，拱肋之间设有5道一字形横撑。吊杆采用平行布置，间距4 m，全桥共设11对吊杆。采用先梁后拱的施工方法，结构布置示意见图1。

图1 简支系杆拱桥桥型布置示意

主梁采用等高度、单箱五室预应力混凝土箱形截面，梁高1.4 m，顶板厚0.35 m，底板厚0.35 m，边腹板厚0.8 m，中腹板厚0.35 m，中横隔厚0.4 m，边横隔厚3 m。主梁横截面见图2。

图2 简支系杆拱桥主梁截面

2 箱型主梁采用不同建模方式的结果

在对简支系杆拱桥进行设计及施工过程控制性计算[1]时，通常需要建立整体模型。为了简化建模过程，整体计算模型中针对箱型主梁，可采用单主梁模拟，或采用梁格法[2]将箱梁简化为纵梁和横梁进行模拟。

采用midas Civil软件建立整体模型，分别按上述两种对箱型主梁的模拟方法进行建模，根据实际施工工况采用正装分析，计算分析不同模拟方法时简支系杆拱桥成桥后(即吊杆张拉完毕、拆除梁底支架后)吊杆力、主梁变形、拱肋变形等的结果。

midas Civil整体计算单主梁模型如图3所示，梁格法模型如图4所示。

图3 单主梁模型

图4 梁格法模型

成桥后，单主梁模型、梁格法模型的吊杆力如表1所示。

表1 单主梁、梁格法模型成桥后吊杆力

注：差值和偏差是相对于梁格法模型。

由表1可知，箱型主梁采用单主梁或梁格法进行模拟，由于刚度分布、荷载分布等的变化，两种建模处理方法得到的成桥索力有偏差，表中数据偏差不超过5 %。如果合理选取梁格法截面、准确模拟荷载分布，吊杆力偏差会更小。

成桥后，单主梁模型、梁格法模型的拱肋竖向位移、主梁竖向位移如表2所示。

表2 单主梁、格子梁模型成桥后拱肋竖向位移 mm

注：表中负值表示向下位移，差值是相对于梁格法模型。

由表2可知，箱型主梁采用单主梁和梁格法进行模拟，由于刚度分布、荷载分布等的变化，两种建模处理方法得到的成桥后拱肋及主梁竖向位移有较大偏差。

因箱型主梁较宽，按宽箱梁梁格法理论，采用梁格法的建模处理方法结果更符合实际。

综上所述，简支系杆拱桥建立整体模型时，宽箱型主梁采用单主梁模型对成桥后拱肋、主梁竖向位移影响较大，采用梁格法模拟宽箱梁较为合理。

3 拱座采用不同建模方式的结果

系杆拱桥拱座受力复杂[3]，为了分析拱座建模精度对整体计算模型的影响，分别建立了不考虑拱座实体(拱肋直接与主梁固结)和考虑拱座实体(拱肋通过拱座实体单元与主梁连接)两种模型。

采用midas Civil软件建立整体模型，分别按上述两种模拟方法进行建模，根据实际施工工况采用正装分析，计算分析不同模拟方法时简支系杆拱桥成桥后(即吊杆张拉完毕、拆除梁底支架后)吊杆力、主梁变形、拱肋变形等的结果。

不考虑实体拱座的整体计算模型如图5所示，考虑实体拱座的整体计算模型如图6所示。

图5 不考虑实体拱座的整体计算模型

图6 考虑实体拱座的整体计算模型

成桥后，不考虑实体拱座、考虑实体拱座模型的吊杆力如表3所示。

由表3可知，不考虑实体拱座模型相比于考虑实体拱座模型计算出来的结果，端部短吊杆吊杆力偏大，中部长吊杆

表3 不考虑实体拱座、考虑实体拱座模型成桥后吊杆力

注：差值和偏差是相对于考虑实体拱座模型。

吊杆力偏小。尤其对端部靠近拱座的第一根短吊杆，不考虑实体拱座影响时，吊杆力比考虑实体拱座影响增大了19.2 %。因此，在整体计算模型中，不能忽略实体拱座对拱肋和主梁连接处刚度的影响。

成桥后，不考虑实体拱座、考虑实体拱座模型的拱肋竖向位移、主梁竖向位移如表4所示。

表4 不考虑实体拱座、考虑实体拱座模型成桥后拱肋竖向位移 mm

注：表中负值表示向下位移，差值是相对于考虑实体拱座模型。

由表4可知，不考虑实体拱座模型相比于考虑实体拱座模型计算出来的结果，拱肋竖向位移、主梁竖向位移均偏大，平均差值约1 mm，最大差值1.5 mm，是由于考虑实体拱座影响模型主梁端部和拱脚连接部位整体刚度增大，位移变小。

综上所述，简支系杆拱桥建立整体模型时，实体拱座对成桥吊杆力和拱肋、主梁竖向位移均有影响，尤其对拱座附近吊杆力影响较大，建模过程中不能忽略实体拱座的影响。

4 施工监测

为了了解上述建模处理方法的理论分析结果与实际工程的偏差，验证所采用的建模处理方法的可行性，在56 m简支系杆拱桥施工过程中，对吊杆力、拱肋及主梁竖向位移进行了施工阶段监测。

吊杆力监测，采用压力传感器法[4]和频谱分析法[5]相结合。压力传感器法是通过将穿心式压力传感器(又叫锚索计，型号为JMZX-3320AT，六弦，最大量程为2 000 kN)安装于吊杆张拉端螺母与锚垫板之间，吊杆张拉过程中和张拉后可以实时监测吊杆张力。频谱分析法是用高灵敏度的动测仪传感器(拾振器，型号为JMM-268-A)采集吊杆在自由振动下的振动信息，通过索力动测仪(型号为JMM-268-1)进行频谱分析得到吊杆的自振频率，通过动力平衡方程计算吊杆力。

成桥后(即吊杆张拉完毕、拆除梁底支架后)吊杆力实测值与考虑实体拱座的梁格法模型理论值对比如表5所示。

表5 吊杆力实测值与考虑实体拱座的梁格法模型理论值对比

注：差值和偏差是相对于理论值。

由表5可知，成桥后，吊杆力实测值与考虑实体拱座影响的梁格法主梁模型理论值偏差在4 %以内，满足相关要求。

根据实测结果表明，系杆拱桥理论计算建模时，需要合理考虑实体拱座对主梁端部和拱肋拱脚段整体刚度的影响。

成桥后(即吊杆张拉完毕、拆除梁底支架后)，拱肋、主梁竖向位移实测值与考虑实体拱座的梁格法模型理论值对比如表6所示。

由表6可知，成桥后，拱肋、主梁竖向位移实测与采用考虑实体拱座的梁格法模拟主梁的理论值较吻合，说明采用梁格法模拟箱型主梁是合理的。

表6 拱肋、主梁竖向位移实测值与考虑实体

注：表中负值表示向下位移，差值是相对于理论值。

5 结 语

通过对56 m简支系杆拱桥箱型主梁采用单主梁和梁格法、考虑实体拱座和不考虑实体拱座的不同建模处理方式，对成桥后吊杆力、拱肋及主梁竖向位移的理论计算结果进行比较，并在实际施工过程中进行吊杆力和竖向位移的监测，结果表明该系杆拱桥进行整体建模分析时，需要合理采用梁格法模拟箱型主梁、并考虑实体拱座的影响。本文结论可为同类型桥梁建模处理提供参考，具有一定的指导意义。

[1] 陈宝春．钢管混凝土拱桥[M]. 2版. 人民交通出版社，2007.

[2] E.C.汉勃利．桥梁上部构造性能[M]．人民交通出版社，1982．

[3] 刘国光， 刘群， 潘哲， 等. 下承式刚性系杆拱桥拱座结点受力特点分析[J]．科学技术与工程，2013(4)：3327-3330.

[4] 沈超明，杭振园，李年维．力传感器修正频率法在吊杆张力测试中的应用[J]．铁道建筑，2012(4)：40-43．

[5] 毛亚娜， 刘世忠， 叶丹．基于频率法对系杆拱桥吊杆索力测试的分析[J]．兰州交通大学学报，2010(2)：124-128．

信息化是企业提质增效的根本途径

建筑企业信息化是供给侧结构性改革的题中之义，是企业提质增效的根本途径。

供给侧结构性改革是党中央、国务院在针对我国当前经济运行的主要矛盾和主要问题提出的战略性举措，“三去一降一补”是供给侧结构性改革的主要任务，而供给侧改革的本质则是通过供给系统全面素生产效率和生产品质的提升，实现供求关系的改善与供需平衡。建筑行业属于完全竞争性领域，建筑企业作为市场竞争主体，必须造应市场变化，把“强管理、提品质、降成本、优服务、树品牌”作为生死攸光的战略任务，眼睛向内，苦练内功，大力提高管理效率，提高企业劳动生产率。

信息互联技术的实际应用，是将人们大量的、烦琐的、繁重的日常事务性工作任务交给计算机、移动端和互联网去完成，从而大量地节约人工成本，提高工作品质和产品品质。企业管理信息化是落实供给侧结构性改革任务的提中之义，是建筑企业提质增效的必由之路。

摘自《建筑时报》

付飞(1983～)，女，硕士，工程师，从事桥梁设计工作。

TU323

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[定稿日期]2017-03-16