系杆拱桥吊杆多次张拉的计算方法.pdf

1 4 2 系杆拱桥吊杆多次张拉的计算方法 林刘赞贾丽君 同济大学桥梁工程系 摘要 系杆拱桥吊杆的施工张拉力对能否达到成桥目标索力起决定性作用 本文针对系杆 拱桥吊杆的多次张拉 提出多次张拉的影响矩阵方法 并解决吊杆松弛的问题 使多次张拉在理论 和实际皆可行 关键词 系杆拱桥张拉力影响矩阵 1 引言 系杆拱桥结构轻盈 造型美观 施工方法可因地制宜 特别是其结构外部静定的特性 即无推 力的结构体系特点克服了软土地基条件的限制 在现代桥梁建设中表现出蓬勃的生命力 另外 吊杆力的可调性使系杆拱桥可以改变施工过程中和成桥的受力 通过适当的调整可以使桥梁达 到合理的受力状态 故吊杆张拉力的确定十分重要 关于初次张拉有倒拆法和内力矩阵法 这 两种方法已为大家接受 然而在实际工程中 系杆拱桥的施工往往分为两次张拉完成 在特殊情 况下 如张拉后某些锚固松弛 或者发现张拉后索力与目标有较大差别 还需要进行多次张拉 本 文在初次张拉内力矩阵法的基础上 提出影响矩阵法 彻底解决吊杆多次张拉的计算问题 2 多次张拉的影响矩阵法 假定吊杆初次张拉后或者吊杆在某有应力状态下 吊杆力为 R F 2 0 凡 T 此次张拉目 标吊杆力为 F F 2 F n T 吊杆张拉力的增加值为 x x x T 假定在张拉过程中吊 杆能受压 由此可知所有吊杆都参与受力作用 其力学特性等价于桁架 于是可以得 巨 I 芒1 1 1 2 t 2 1 2 2 f l L m n 2 陋蟛1 I 血 L 口 一图 其中t i i 为第歹号吊杆增加单位力时对i 号吊杆的影响 组装以后得到影响矩阵 解线性方 9 6 9 h c 写 一 m f o f 程组得到 缸 缸 缸 T 于是就能求出施工张拉力k F 1 0 F 2 0 F 加 t l l 0 t nt 2 z 1 1 1 n 2 A x l A x 2 A x n 2 在初次张拉的情况下 F F 2 0 F 珊 T E oo o T 且因为张拉过程中吊杆是逐步参 与到模型中 故几何模型是逐步改变的 先张拉吊杆对后张拉吊杆没有影响 即当i j 时 t i 一 0 影响矩阵变成上三角矩阵 方程 1 就变成初次张拉的影响矩阵方程 施工张拉力为 3 吊杆松弛的解决 t u 1 2 1 n 0 t 2 2 t 2 00 t 一B A X l A x 2 I z J t 1 1 0 0 0 t 2 2 0 00 引 血 I A x 2 2 n J 3 4 以上方法的重要前提假定就是所有的吊杆在张拉全过程中都参与作用 轴向力学特性等 价于桁架 但吊杆并不符合这一理想假定 如张拉第一根吊杆以后就有可能会出现F 2 t z o 即第二根吊杆松弛退出工作的情况 这就会导致假定不成立 所求解的张拉力与实际 不符 如果在理想假定基础上求解的施工力使别的吊杆产生压力 即产生松弛时 该松弛吊杆 在计算模型中必须拆除 等到张拉该吊杆时 才将其加入到几何模型中 形成新的刚度矩阵 再 计算张拉力 为方便说明 举一简单的力学模型如图1 所示 尺寸单位为米 吊杆材料采用 E 一2 1 1 0 5 M P a 的钢 截面为直径0 1 m 的圆 梁采用C 5 0 混凝土 E 3 4 5 1 0 4 M P a 截面 为0 4 m 0 5 m 的矩形 卜 L 箜 扣 j 尘 斗 2 1 2 5 I 图1 模型示意图 尺寸单位 m 初始拉力为E F oF 2 0F 3 0 T E l 1 1 T 目标索力为 F 1 F 2F 3 T E 1 21 21 2 1 T 卜 司 li 0 0 00 一0 6 1 79 2 1 o 9 8 4 5 匡刁一 得 匡A x i z 1 4 5 645 1 0 07 8 99 7 10 0 00 0 7 8 99 71225 0 11 0L1o JL o1 9 84 506 1 79 210 0 00 0 JL 14 5 6 R 1 I l 一 一o l 缸 I 1 I 得 Il F 2 0 一 L 也 J L 1 2 J L z J t 2 1 A x l 一1 0 0 7 8 99 7 1 4 5 64 5 o 这样就必须改变方程 1 2 使F 2 0 t 2 l o 再求 巾旧 i过啦 口曲仃 得 缸1A x 2 缸3 T 一 1 3 2 54 8 2 2 4 70 91 3 2 54 8 T 检验血1 有 F 2 0 t 2 lX 缸1 o F 3 0 t 3 1 A r 1 o 继续检验缸2 有 F 2 0 t 2 l z 1 t 2 2X 2 3 0 E F 3 0 3 lXA r 1 3 2 A x o 还要改变方程组 1 2 使F 3 0 一 1 一如2 一o 求得 血 A r 2缸 T 一 1 2 8 91 3 2 1 4 79 61 2 0 0o T 再代人到模型中加以检验 满足目标 计算结束 对于很多吊杆的情况计算流程图如图2 所示 按照流程图计算得到 缸 缸 A x T 再代人到相应改变的方程 2 得到吊杆张拉力 图2 解决吊杆松弛的流程图 4 算例 余姚市明伟三号桥为杭甬运河改造工程中一跨河桥梁 主桥为计算跨径为6 6 m 的系杆 拱桥 图3 陋斗 卫型韭婴L 制 图3 明伟三号桥总体布置图 尺寸单位 c m 拱肋为哑铃形钢管混凝土 系梁为预应力混凝土 通过施加预应力抵消拱所产生的水平推 力 施工步骤为 贝雷支架现浇桥面系以及拱座 张拉系梁第一批预应力 安装钢管拱 灌注钢管混凝土 张拉第二批预应力 安装吊杆并进行初次张拉至5 0 t 拆除贝雷支 架 吊杆第二次张拉至7 0 t 安装栏杆及铺装桥面 在 吊杆初张拉后 实测吊杆力 F o F 2 0 F 加 T 一 5 05 0 5 0 T 在此基础上进行第二次张拉的计算 计算采用M I D A S 2 0 0 6 9 7 1 进行 采用该软件的一个好处就是 利用其施工过程中初拉力为外力的特性 保证张拉后吊杆 力的确定性 其初始构型为每根吊杆均受到5 0 t 的拉力 对称张拉吊杆 模型每次张拉一对吊 杆 张拉后将张拉力还原 张拉下一对吊杆 张拉顺序为中间至两边 6 6 一5 57 4 4 7 3 37 2 27 1 17 在具体操作计算中 张拉力的增量设定为5 t 然后将矩阵每个元素除 以5 得到影响矩阵为 1 l 1 2 l t 2 lt 2 2 t 2 n l 1 b n lt n 2 j 1 O O 一0 3 2 0 0 7 0 1 00 1 0 0 3 21 0 0 0 1 3 0 0 10 0 7 0 0 7 0 1 41 0 0 0 1 6 0 0 4 0 1 0 0 0 1 0 1 61 0 0 0 2 2 0 1 00 0 7 0 0 4 0 2 21 0 0 0 1 20 0 70 0 2 0 0 7 0 2 0 将以上矩阵带入方程 1 得 缸 缸 A x T 一 2 2 5 2 8 03 1 13 0 82 8 3 2 2 5 T 从而可知 z z 2 z T 一 7 2 5 7 0 77 5 67 7 87 4 5 7 0 o T 明伟三号桥 就是以这种方法为基础计算施工过程中的张拉力 实际测量的吊杆力与目标吊杆力的差值见 表1 吊杆力比较表1 吊杆编号目标吊杆力理论吊杆力差值差值百分比 l7 07 0 50 50 7 1 27 07 1 71 72 4 3 37 07 1 41 4 2 0 0 47 07 2 72 7 3 8 6 57 07 2 82 84 O O 67 07 2 52 53 5 7 6 7 07 2 12 13 0 0 5 7 07 2 82 8 4 O O 4 7 07 2 4 2 43 4 3 3 7 07 2 4 2 43 4 3 2 7 7 0 7 1 51 5 2 1 4 1 7 07 1 21 21 7 1 5 结语 利用本方法可以解决任意应力状态的系杆拱桥吊杆张拉的问题 在吊杆均受拉的情况 下 可以用影响矩阵法一次性解决 当出现某些吊杆张拉松弛后 按照本文提出解决松弛的方 9 7 2 挖 凹 凹 加 善 O O O O O 1 法J j j jl J 循环就能解决 通过对自设定模型和实际工程的检验 本方法在理论和实际都是可行 的 具有很强的工程意义 参考文献 1 贾丽君 肖汝诚等 确定斜拉桥施工张拉力的影响矩m 法E J 苏州城碡环保学院学报 2 0 0 0 1 3 4 2 1 2 7 E 2 3 彭宣茂 系杆拱桥吊杆初始张拉力的计算方法 J z k 并 J 水电科技进展 2 0 0 0 2 0 6 3 2 3 3 E 3 3 张纬国 贾乃勃等 再谈系杆拱桥吊杆初始张拉力的计算方法 J 水利水电科技进展 2 0 0 2 2 2 3 2 6 2 8 E 4 3 韩振勇 项海帆等 新型桥梁设计构思和施工技术优化 D 同济大学博士论文 2 0 0 6 9 7 3 系杆拱桥吊杆多次张拉的计算方法系杆拱桥吊杆多次张拉的计算方法 作者 林刘赞 贾丽君 作者单位 同济大学桥梁工程系 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 金鹏涛 孙学先 JIN Peng tao SUN Xue xian 系杆拱桥吊杆施工张拉力的控制 交通标准化 2008 2 结合系杆拱桥的设计方案 对吊杆张拉力的控制进行分析计算 并利用Midas程序建立全桥的有限元分析模型 分析比较几种张拉情况下的结构内力变 化情况 最终得出比较合理的张拉力取值及顺序 分析结果可为同类桥梁的设计与施工提供一定的参考 2 期刊论文 施先正 Shi Xianzheng 系杆拱桥吊杆张拉力的优化设计 价值工程2010 29 21 系杆拱桥吊杆张拉力的优化设计问题是工程设计中的重要内容 本文采用ANSYS模拟吊杆张拉的过程 以吊杆应该施加的初始张拉力为基础设计变量 利用应力模拟吊杆张拉力 根据一阶优化算法求出每根吊杆的张拉控制力 使得吊杆的预张拉力达到规定的设计值 结合施工过程 通过对工程实例中问题 的计算 使该方法为类似桥梁的设计施工的运用提供参考 3 期刊论文 陈锋 系杆拱桥吊杆张拉力的优化设计 河南建材2010 2 针对系杆拱桥吊杆张拉力的优化设计问题 结合施工过程 根据一阶优化算法确定吊杆的张拉控制力 从而使得吊杆的张拉力达到规定的设计值 4 学位论文 朱启顺 新型系杆拱桥施工控制分析与荷载试验 2008 系杆拱桥作为拱桥的一种形式在现代城市桥梁中得到广泛的应用和发展 随着结构形式的复杂化和跨度的增加 系杆拱桥施工中存在的问题也越来 越多 必须对其进行施工控制 使得成桥状态满足设计要求 本文以天津站交通枢纽工程 李公楼立交桥主桥改建工程为工程背景 研究了施工控制中的 一些关键问题 阐述了吊杆张拉力的计算方法 介绍了吊杆张拉方案 建立了全桥三维有限元模型 对吊杆张拉过程进行了施工控制模拟 以成桥状态为初始状态 采用倒拆方法计算吊杆张拉力 并模拟了实际施工过程 对张拉方案进行了比较分析 确定了合理的吊杆张拉方案 论述了各种施工误差的影响 简介了参数敏感性分析的方法 对李公楼立交桥主桥进行了参数敏感性分析 以主梁挠度 主梁应力 拱肋挠度 拱 肋应力和拱肋轴力等为控制目标 进行了温度 材料容重 施工荷载 吊杆张拉力 弹性模量 截面尺寸等参数的影响分析 并运用插值法进行了灵敏 度计算 确定了对该桥影响较大的参数 为参数识别提供了依据 对李公楼立交桥主桥进行了影响面分析 设计了荷载试验方案 完成了成桥荷载试验 对试验结果进行了分析与评定 5 期刊论文 江旭东 确定系杆拱桥吊杆初始张拉力方案及施工控制 上海公路2008 1 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工提 供一种参考方法 6 学位论文 夏正光 大跨径系杆拱桥曲线型系杆的分析研究 2009 新张公路桥主桥为钢管混凝土系杆拱桥 在其设计中系杆采用了R 2500m的圆弧竖曲线线型 由于系杆拱桥的系杆在很大程度上起到水平拉杆的作用 以平衡拱肋在两拱脚处的水平推力 所以设计中其线型通常选为直线线型 本文将针对系杆拱桥的曲系杆受力特性问题进行研究分析 论文以新张公路桥主桥为工程背景对系杆采用曲线线型以后 曲系杆的受力变形 应力状态及对拱桥体系转换的影响进行研究 具体内容有 直线 型系杆与曲线型系杆的系杆拱结构在成桥状态下受力状态差异的研究 系杆内纵向预应力钢束张拉过程中系杆的挠曲规律以及施工过程中系杆支撑条件 的模拟分析 系杆拱结构在施工过程中吊杆的张拉顺序及张拉力控制方法的研究 首先针对保持拱肋的尺寸 系杆的截面尺寸以及施工荷载作用不变的条件下 建立不同竖曲线半径系杆的系杆拱结构的模型 进行相应的有限元分 析 分析的结果表明 系杆从直线型即R 向R逐渐缩小的方向变化时 系杆拱结构的整体刚度会减小 致使结构在同样自重荷载作用下的竖向挠度值加 大 另外 在系杆曲率加大的情况下同样吊杆张拉力 系杆内预应力筋束的作用力都将会使系杆各截面内所受的剪力增大 这对于结构的受力也是一种 不利的影响 其次对施工过程中系杆的支撑条件即接触约束形式进行分析讨论 即认为系杆的支架对系杆向下的运动有阻碍的约束作用 而对于系杆向上的运动 则不产生任何阻碍作用 由于施工中采用了少支架形式 支架在水平方向的刚度相对较小 而在竖向各截面的弹性系数又各不相同 故而本文着重对支 架的后一特性进行了研究 另外 系杆内的预应力筋束采用了后张法的施工工艺 考虑到系杆的曲线线型 可得知系杆在预应力张拉时的挠度将不再像 直线型系杆内预应力张拉时的挠度那么简单 通过有限元分析的结果也证明了这一点 系杆拱桥施工过程中 吊杆的张拉是一项很重要的施工工序 吊杆的束力可以按照一定的原则比如系杆在其与吊杆交点处截面的弯矩为零来计算确 定 然而吊杆在施工过程中的张拉顺序对于成桥时各吊杆的实际束力又有着直接的影响 也就是说同样的张拉力按不同的吊杆张拉顺序所得的成桥吊杆 的索力基本上是不同的 所以为达成成桥时各吊杆的索力为按特定的计算原则所得的计算值 需要通过一定的计算方法确定既定张拉顺序所对应施工过 程中各吊杆的张拉力 文中以本桥为例讲述了张拉力确定的一种常用方法 倒拆法 另外 系杆拱桥吊杆的张拉也是实现结构体系转换的一种重要手段 往往还需要其他手段的辅助才能完成 论文对此作了深入分析 认为新张公路 桥还需要通过系杆内预应力筋束的张拉作为辅助手段来实现桥梁的体系转换 文中也对这种辅助手段做了相应的论述 并证实了这种辅助手段的有效作 用 本文对于相似结构的工程设计和施工具有借鉴意义 可供相关研究人员参考 7 期刊论文 彭宣茂 PENG Xuan mao 系杆拱桥吊杆初始张拉力的计算方法 水利水电科技进展2000 20 6 针对系杆拱桥施工中的吊杆初始张拉力问题提出一种新的简单实用方法 该法以每根吊杆应该施加的初始张拉力为基本未知值 根据吊杆的张拉顺序 采用结构变刚度有限元法求出单位力作用下的吊杆内力矩阵 建立典型方程 通过简单的回代方法求出每根吊杆的初始张拉力 从而使得最终吊杆的预张 拉力达到规定的设计值 8 期刊论文 尹明 YIN Ming 钢管混凝土系杆拱桥吊杆施工张拉力计算 公路工程2010 35 2 钢管混凝土系杆拱桥属于空间内部超静定结构 由于吊杆存在使得设计 施工控制变得比较复杂 针对钢管混凝土系杆拱桥施工过程中的吊杆施工张 拉力计算问题 采用倒拆法和影响矩阵法相结合的方法 取得了比较好的效果 9 学位论文 钟健聪 提篮式系杆拱桥空间受力分析 2004 该文介绍拱桥的起源 研究现状及发展趋势出发 结合实际工程 中山一桥 从结构的静力 稳定及动力特性入手 研究了提篮式系杆拱桥的受力