浅谈钢管混凝土系杆拱桥吊杆张拉分析

摘 要：介绍系杆拱桥吊杆张拉控制问题的结构体系特点、受力特点以及正裝法、倒装法、影响矩阵法、无应力状态法四种计算方法，利用有限元软件ANSYS/MIDAS求得桥梁每根吊杆的张拉控制力，并加以分析。

关键词：系杆拱桥;吊杆张拉;有限元分析

一、引言

拱桥是一种桥梁结构，其中整个结构在垂直平面上将拱用作重要的支撑构件。作为最早的拱桥结构，石拱桥通过梯形石头将自身的重量和载荷水平传递到两侧的墩上。随着国家的发展，钢筋与混凝土被用于拱桥，进一步增强了拱桥结构的强度与刚度。在我国悠久历史中，从宋代时期的赵州桥到如今各式各样的大型桥梁，都是人类智慧与汗水的结晶。其中的系杆拱桥作为拱桥的另一种形式，又被称为“弓弦桥”，是由梁和拱联合组成，可承受更大的强度。在百余年前就得到了发展，它是组合体系桥的一种，是系杆、梁和拱肋组成，拱肋通过系杆连接梁。拱肋由钢筋混凝土和钢管混凝土制成以承受压力。拉杆采用钢缆等来承受拉力。该梁由钢筋混凝土制成，这是一种多跨度弹性支撑梁系统。垂直张力主要由吊杆承受，吊杆通常分为刚性吊杆和混凝土吊杆。在受力方面，大部分的荷载都由拱肋承担，而有些只有一根拱肋的拱桥，需要用横梁用来增加桥面系的横向联系，吊杆可以减小桥面系的弯矩并且传递竖向荷载，系杆承受纵向的拉力，这样，系杆拱桥的整体受力情况就是内部超静定，外部静定体系，且在外部只有竖向压力，因此对山区或河岸的地基要求没有那么高。

二、吊杆张拉力计算的重要性

对吊杆进行张拉的时候，在张拉施工中会遇到一些问题，如吊杆索力张拉顺序，吊杆张力设定值。在施工和设计中，寻求什么手段调控吊杆初始的张拉力，以让吊杆的应力状态达到最终设计的值，这是一个非常复杂的问题。

张拉过程中，分批张拉预应力吊杆的数量会影响吊杆张拉力，在张拉期间对整个吊杆的力学特性有着较大影响。如果吊杆达不到预期规定的力学状态，需对其进行调整，否则会对后期工作产生影响。因此，为了达到期望的目的，张力值的确定非常重要。因为只要吊杆没有处在张拉的过程中，就不会处于一个受力状态，前期的吊杆不会对接下来的施工阶段张拉的吊杆产生影响。一般设计方在处理这个问题时，大多按照一次成桥来处理，但在实际的施工过程中不具有操作的可行性[1]。

因此，有必要对索力进行调试，并在连续调试中找出变化规律。我们一般按照正装法、倒装法、影响矩阵法、无应力状态法等方法来确定成桥的合理索力。

三、吊杆张拉力方法

（一）正装法

正装法一般通过迭代计算求得。

其基本思想是：实际结构的施工过程的实证分析，建筑构件和负载各施工工序按照施工方法添加到结构中，在施工过程中计算和监测应力的产生和数据表，分析了施工过程中的结构变形、内力以及它们的持久状态。吊杆是超静定结构，所以正装法计算吊杆相应的索力包括以下步骤：首先假设一个安装索力，计算得到索力，之后再进行索力比较，计算差值，获取最新的安装索力，然后由新一轮向前计算，直到收敛为止。

具体步骤如下：①输入结构构件的基本参数。②假定成桥索力，第i次迭代计算时输入的初次索力为，相应的计算结果索力为。③用有限元程序，令，进行一次迭代，求得吊杆索力。④检查是否小于允许值。

（二）倒装法。倒装法的基本思路是利用成桥状态反推初始状态[2]。首先确定所需要的各项基本参数，然后进行ANSYS建模处理，得到第一阶段的吊杆张拉力，并根据该索力进行数据分析，将该状态下的吊杆张拉索力与设定的允许值索力相比，索力的误差便可以这样求出。

虽然这种计算方法速度比较快，但是对于特殊结构的桥梁有时候求出来的施工索力无法实现或者其他构件施工阶段受力状况无法控制。正装法能对桥梁各个构件进行安全系数的验算，虽然繁琐，但是能保证一定的正确性。设计初期用倒装法在有限元软件中算出各个吊杆的索力，之后还要用正装法进行监控分析，保证准确性。鉴于MIDAS的索力计算可能存在的一些错误，在正常设计、学习时我们还是应当遵从正装法进行桥梁吊杆张拉力的计算，而不是为了简便忽略了索力数值的正确性。

根据上述原则，倒装法计算拱桥吊杆张拉索力计算方法的基本思想：根据建立的张力顺序，相反的顺序依次剪断，作为各吊杆内力计算桥梁的计算模型的截止时间。根据桥梁施工的初始张拉力，采用反向桥的桥梁建设可以取得较好的控制数据结构模拟，考虑了空间结构相互作用的影响。

（三）影响矩阵法。影响矩阵法是以每根吊杆的张拉控制力作为基本的未知值，对于小变形线弹性结构，其内力、位移在计算时符合叠加原理[3]。根据结构的线性叠加原理，得出拉伸后的目标值。利用有限元软件应用于单位力，求解线性方程来计算影响系数，然后计算影响矩阵和吊杆张力，使得每个井架施工时的张拉力，吊杆拉力达到最后规定的设计值。同时运用影响矩阵调节吊杆成桥时的拉力，以期使桥梁达到理想的受力状态，与设计值相吻合[2]。

（四）无应力状态法。 无应力状态法主要用于大跨度拱桥和悬索桥，是基于桥梁中间部分的恒定曲率和桥梁结构在每个阶段的构造。由于吊杆是在工厂预制，现场安装，对长度的把握就至关重要。

四、结论

经过本文一系列阐述，以系杆拱桥吊杆张拉分析和计算为背景，分别介绍了正装法，倒装法、影响矩阵法以及无应力状态法各自的特点。首先是正装法，根据施工阶段的不断变化模式，能够较好掌握施工总安全系数，其缺点就是相当繁琐。在正常设计中，即便一开始用倒装法求索力，以后仍然需要用正装法检查和监控。对于MIDAS索力计算有误的情况，正常学习斜拉桥还是应用正装法。如果成桥阶段索力已知，倒装法能够更加方便的求取索力。虽然这种计算方法速度较快，但对于特殊结构的桥梁有时会脱离施工索力无法达到或其他构件施工阶段无法控制的状态。

对于吊杆的第一阶段，由于结构处于非线性状态，因此影响矩阵法将不再适用于此时的结构 计算，因为影响矩阵法会增加结构的误差计算。无应力状态法适用于其他类型的拱桥的安装和计算 。吊桥还需要在施工阶段进行周转计算，以确定内力和变形。

参考文献

[1] Wei J， Li C. Optimization Analysis of Cable Tensions for Suspension Erection of Long-Span CFST Arch Bridge[C]//International Conference on Transportation Engineering. 2009：1808-1813.

[2] 孙九春.拱式结构吊杆张拉索力计算方法综述[J].结构工程师，2010，26（4）：154-159.

[3] 尹明.钢管混凝土系杆拱桥吊杆施工张拉力计算[J].公路工程，2010，35（2）：101-113.

作者简介：雷德印（1995—），男，汉族，四川广安人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向 ：土木工程。