确定系杆拱桥吊杆初始张拉力方案及施工控制.pdf

s 一一 确定 系杆 拱桥 吊杆初 始 张拉 力方案及施 工控制 江 旭 东 ( 上海 市城 市投 资公 司路桥事业 部 ) 摘要 ： 利用力学的平衡条件 ， 推导出一种 以系杆拱桥 的系杆为相应 刚性支 承连续梁弯矩 为 目标控 制量 的吊杆钢束初 始张拉 力 的确定方法 ， 同时考虑整体结构与预应力钢筋的作用 。利用得到 的 目标控制 量 ， 实现在每一施 工阶段 或在确定 的某一状态下 对 吊杆的张拉。得到 吊杆与阶段张拉的施工控制程序 ， 该程序使施工 张拉过程 简单 明确 ， 能较 为准 确地使 系杆达到期 望的 内力状 态 和合适的线形要求 ， 最终使 成桥状态达到满意 的结果 ， 为大跨径系杆拱桥的设计与施_ 提供一种 参考方法 。 关键词 ： 系杆拱桥 ；吊杆 ；张拉力 ；施t控制 0 概 述 近年来 ， 系杆 拱桥 在国 内得 到迅速 发展 ， 特别 是 钢 管混凝 土技 术 、 泵送 混凝 土工艺 ， 预应 力技 术 以及各 种 施工技 术 的发展 。下承式 系杆拱 桥作 为一种 大跨 度 的 新型结 构形式 ， 其数 量 、 跨 度 以及 宽度方 面 呈发展 增 长 趋势 。可 以预 料 ， 它的未来 发展前 景是 广 阔的 。 系杆拱桥 中 ， 系杆 即纵梁可 以认 为是一 根 以吊杆结 点处为弹性支承 的连续 梁 ， 当然它还 要求承受 拱肋传 给 它的拱 脚弯矩 ， 故实际上 系杆 是一根 拉弯构 件 。这里 把 直接 承受分 布 活 载 的 系杆作 为本 文 研究 的控 制 对 象 。 桥面系恒载及活载作用 于系杆上 ， 由各 吊杆传 递至承 重 构 件拱肋 ， 而拱肋 中的拱脚水 平力则 由系杆来 承受 。系 杆拱桥 中的 吊杆一 般 可做成 刚性 吊杆 或 柔性 吊杆 两 种 形式 。( 湖州 市八里店大桥 系杆 拱桥 ， 吊杆 为 刚性 ， 1 9 9 9年建成 ； 沪芦高 速公 路大 治河 桥 系杆 拱桥 ， 吊 杆为柔 性 ， 2 0 0 4年建 成 。 ) 吊杆 是一 根轴 心受 拉 构件 ， 做 成钢筋 混凝 土构件则 易产生开 裂且截 面尺寸 较大 ， 故 常 采用预应力构 件 ， 给 吊杆施 加预 压 应力 ， 避免 吊杆 在 荷 载作用下开裂 ， 这样 的 吊杆称 之为刚性 吊杆 。但 吊杆 截 面尺寸必须满 足吊杆 临界轴压力 要求 ， 避 免 吊杆 施工 受 压屈 曲。另一种 吊杆 形式为缆 索结构 ， 可采 用 预应力 高 强钢丝束或钢 绞线 ， 这种 吊杆不 能受 压的 ， 只 承担拉 力 ， 故称为柔性 吊杆 。在 桥较 宽 ， 吊杆 问距 较 大 ， 荷 载 较 大 时 ， 使用较合理方便 。本文即研究 吊杆钢束 的恒 载合 理 束力及其施工 张拉控 制问题 。 在设 计系杆拱桥时 ， 确定整个 拱架 结构在 恒载 自重 作用下 的初始状 态 ， 关 键是 如何计 算 吊杆 在恒 载作用 下 的初始张拉力 。系杆拱桥虽然外 部是静定 的 ， 但 内部 却 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 3 0 4 是高次超 静定的结构 。因此 ， 不 同的 吊杆 束力会 使结 构 中的内力 状态不同 。在 自重作 用下 ， 可 以调整 吊杆 的预 张力使 系杆 中弯矩分布达到一个 理想水 平 ， 可称 之为 最 小弯矩法 ， 以改 善 系杆 受力 ， 或者 在 自重 作用 下使 系杆 的竖 曲线符合 某种 期望 线形 ， 可 称之 为零 位移 法 ( 或 给 定位移法 ) 。当然也 可以使 吊杆 预张力等 于指定 值或者 使一部分 内力 和一部分线形符合事先假定 值 。 1 确 定 吊杆合理 束 力的方法 在选定 系杆拱 桥 构 件合 理 内力 时 ， 常 以 系杆 弯 矩 达到 某一最 佳状态 为最 终 目标 ， 并不 是 以位移 为条 件 ， 即达 到合理 的主 梁 弯矩 内力 状 态 时挠 度 不 一定 是 零 。 特定 弯矩状 态下 的系杆 变位 可 以通 过施 工时置 反方 向 的“ 预 拱度 ” 预 以抵 消 。 当然 在施 工 过 程 中 ， 吊杆 预 张 力 亦使 拱肋 产生 向下变形 。为保证成 桥后 的各 构件 线 形 满 足预先 期望 值 ， 拱肋 必 须 根 据 吊杆 预 张 力 的大 小 来 设 置相应 的预 拱度 值 ， 故应 以系 杆 等一 些 截 面 的 内 力 值 直接作 为控制 条件 则较 为合理 。如把 吊杆 与 系杆 连接点 的 系杆弯 矩值 作 为 控 制 目标 量 ， 同时 考 虑 系杆 内预应 力钢筋 和 混凝 土徐 变 及 收缩 作 用 ， 则 吊杆 初 始 张拉力 能使 结构在 恒载作 用下 系杆 内弯矩 达到 真正 的 刚性支 撑连 续梁 的 相 应 内力 状 态 ， 这将 是 一 种 较 为理 想 和合 理 的 内力状 态 。 现 在先求 解 目标控 制条件 ， 取 图 1 作 为计算 模式 ： 图 1 n 。 1 2 0 0 8上踢么绦 3 7 维普资讯 一 一s 首先 取消所 有 的 吊杆 ， 在 吊杆 与 系杆 的 连接 点 处 假 想 系 杆 被 刚 性 支 撑 ， 在 结 构 自重 及 吊 杆 拉 力 丁 j ( j = = = 1 ， n) 作用 下求解刚 性 支撑处 的系杆 弯矩 m ， 同时可 以把系杆 纵 向预应力效 应一并 考虑 。 2 mi 一 t +m ( 1 ) j-j 1i 一 1 式 中： m 为 系杆截 面控 制 目标 弯 矩 值 ； t 为 第 j 根 吊 杆 钢束 的初 始 张拉 力 ； 为第 j 根 吊杆 单 位束 力 对 i 结 点 系杆 弯矩 或 对 其它 控 制 截 面弯 矩 的影 响值 ； ， z 为 吊杆总数 ； mh 为 由结 构恒载 产生 的弯矩值 。 用矩 阵表示 即为 ： m 一 丁 + m h ( 2 ) 式 中 m = = ： m ，m。 m + 为 系 杆拱 桥 目标 弯 矩列阵( 这里把拱脚弯矩也列人其 内) ； 为影响矩 阵 n( n- t - 2 ) ； t 一 t ，t 。 丁 w 为 吊杆初 始 束列 阵 ； m h 一 mh ， mh。 mh + 。 为控 制 截 面恒载 弯矩列 阵 。 并 以此为 目标控 制 条 件 。这 里 吊杆 张力 t 还 是 未知数 ， 但 作用在 拱肋上 会对 系杆 内力产 生影 响 ， 尤 其 是 产生较 大 的拱脚 弯 矩 。有 了合 理 的控 制 目标 ， 可 进 一 步建立 平衡方 程 。 取 图 2的计算 模 型 ， 其 中一对力 t 来 代替 某根 吊 杆 钢束 。对 于 任 一 吊杆 与 系 杆 连 接 点 的 弯 矩 值 m ， 应 有 ： n n + 2 一 t， +mh ( 3 ) 图 2 式 中参数 意义 同前 。 用矩 阵形式 表示 为 ： m 一 t + m仲 ( 4 ) 式中参数意义同前。 把 已求 得 的控制 目标 m 代人 ( 4 ) 式 中的左端 ： m 一 m 即 ： t + m h 一 t - f m h ( 5 ) 当矩阵 一 ， 由式( 5 ) 可以求得吊杆初始 束 力列 阵 t ， 为 ： t 一 m ， ( m h， ) 一 m h ) ( 6 ) 3 8上冯 么缘 n o 1 2 0 0 8 这样 完整结 构 的恒 载 内力 状 态也 就 可 以确 定 了。 程 序实 现框 图见 图 3 ： i输 入 原 始 数 据 i j ， 建立系杆相应 刚性支承连续梁计算模型 i ， ： i i 一 求影响矩阵( m 求恒载弯矩值i m- 上 建立束力求解模 型 计算影响矩阵【 】 计算恒 载弯矩值( j 求解 吊杆合理束力( l计 算 完 整 结 构 内 力 状 态 l 结束 图 3 2 吊杆 张拉 力施 工控制 根 据上述 过程求 得 吊杆束力 是满 足系杆 控 制 目标 的期 望值 ， 它可 理 解 为所 有 吊杆 瞬时 同步施 工 的主 观 预张力 。 但 实际上 在系 杆 拱桥 吊杆 张拉 过 程 中 ， 吊杆 是 分 批 张拉 的 。期 间伴 随 着结 构 的变 形 、 系 杆 支承 体 系 的 转换 及 内力 的重分 布 。前期 张拉 的 吊杆 束力 直接 影 响 后期 吊杆张拉 力 的束 力 ， 而 后 期 张拉 吊杆 亦对 先期 施 工 的 吊杆 的束 力有 着 直 接 的影 响 ， 从 而 最终 影 响 全部 吊杆 张拉 完毕 后 的力 学 性 能 ， 使 系杆 达 不 到满 足 控 制 条件 的内力状 态 。这 势必 要进一 步对 吊杆进 行束 力 的 调整 ， 这将 是非 常 麻 烦 的情 况 。如 果根 据 人 为 规定 的 吊杆 施工 阶段信 息 ， 对 该 阶段 吊杆 施工 张拉完 毕后 ， 在 最后 所有 吊杆 张拉完 成后 不必对 各施工 阶段 中凡 张拉 结束 的 吊杆返 回 张拉 调整 ， 可 大大 缩 短施 工 时 间 和节 省施 工费用 。 因此 ， 对各 吊杆 进行 施 工 控 制 是 必要 的 。其 目的 也 即是 在各 吊杆 张 拉施 工 阶 段 ， 确 定该 阶段 吊杆 正 确 的张拉 力 ， 以保证 在 吊杆 全部施 工完 毕后 ， 使各 吊杆 的 维普资讯 预张 拉力达 到或 接 近控 制 期望 值 ， 最 终 使 系杆 内力 满 足期 望 的内力 状态 。 以图 4 所 示为 例 ， 该 系杆 拱 桥 为 沪芦 高 速 公 路 大 治河桥 主跨 系杆拱桥 吊杆施 工 张拉顺序 ： ( 1 ) 吊杆 1 1 ； 1 一 1 ； ( 2 ) 吊杆 2 2 ； 2 一 2 ； ( 3 ) 吊杆 3 3 ； 3 一 3 ； ( 4 ) 吊杆 4 4 ； 4 一 4 ； ( 5 ) 吊杆 5 5 ； 5 - 5 ； ( 6 ) 吊杆 6 6 ； 6 - 6 。 图 4 共 分为 6批 张拉 。在 恒载 作用下 的理想 状 态 时各 吊杆 的合理 预张 力值 根 据 前 述可 求 得 ； 现 在 利用 倒 拆 法逆 向求解 各施工 阶段 内 吊杆 的合理 张拉 力值 及相 应 的 内力 状态 和相应 的位移 状态 。 首 先 ， 拆 除 6 6号 和 6 -6 号 吊杆 ， 并 把 已求 得 成 桥状态 合理 的该对 吊杆束 力 ( 即设 计 吊杆 的束 力值 ) 反 方 向作用 于 吊杆 与拱肋 和系 杆的节 点上 。 按 图 5 ( a ) 计 算模式 ； 求解 得 到各 吊杆 内力 值 t ( 一 1 ， 2 ， 5 ) ，则 此 时各 吊杆 内力 值 实 际上 为 t + t ， 。t 为恒载 作 用 下 成 桥 状 态 的 合 理 吊杆 预 张 力值 ( 即设计 吊杆 的束 力值 ) 。 第二 步 ， 接 着拆 除 5 5及 5 - 5 吊杆 ， 并 把 求 得 的 t +t 值 反 向作 用 于 5 5及 5 - 5 吊杆 与拱 肋 的联 系接 点处 ， 按 相应计 算模 型求解 ， 可求 得剩 余 吊杆 的实际 内力 值 t +t ( 一1 ， 2 ， 4 ) ； 重 复此 步骤 。 最后得 到图 5 ( b ) 图式 。在 此 图式 中容 易求 得 1 1及 1 1 号 吊杆 内 的实 际拉 力值 。这 样 人 为 的 6个 施工 阶段 内 的相应 吊杆 预张 力值便 已求 知 。 实际施 工张拉 时 ， 可 按 上述 倒 拆 法 求得 的 各 阶段 内吊杆 张拉 力进行 施工 ， 那 么 在所有 吊杆施 工 完毕 后 ， 各 吊杆 内的预张力 值完全 能满 足预先 期望 的 吊杆 张拉 力 ( 即设计 吊杆 的束 力值 ) ， 不 必返 回再 张拉 。沪芦 高 s一gs 速公 路 大 治 河 主 跨 系 杆 拱 桥 的 吊 杆 施 工 亦 按 此 法 施工 。 ( a ) 但 是 ， 必须 注 意 的是 ， 由于 系 杆 施 工 一 般 采 用 预 制 拼装 或 现 浇方 法 ， 在 系 杆 下设 置 了 支架 ， 在 吊杆 开 始 张拉 到 张 拉 结 束 ， 可 能 存 在 着 体 系 的 转 换 。因 此 在 上述 倒 拆 逆 向求 解 过 程 中 ， 实 际上 是 让 系杆 逐 步 落 架 的过 程 。 由 于 支 架 在 系 杆 下 的 支 承 情 况 复 杂 ， 在 上述 求 解 过 程 中并 未 考 虑 到 支 架 的实 际 情 况 ， 因 而 必须 在 采用 倒 拆 的 每 一 状态 应 根 据 系 杆 的 变 位 来 判定 支 架 某 支 承 点 是 否 产 生 作 用 。如 果 起 作 用 ， 支 承 必须 纳 入 图 5的计 算 图 式 中 ， 这 是 完 全 符 合 实 际 情 况 的 ， 否则 将产 生 求 解 的错 误 。 同 时 ， 在 倒 拆 计 算 的 每一 阶段 的位 移 情 况 ， 亦 必 须 保 存 下 来 ， 以得 到 拱 肋及 系 杆 的无 应 力 线 形 ， 供 放 样 使 用 ， 还 可用 来 计算 吊杆 的无应 力长度及 支架标 高等。当然 ， 在正 向施 工 中 ， 仍 需 根 据每 阶段 施 工 张 拉 情 况 ， 考 虑 混凝 土