(好)钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的研究.doc

(好)钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的研究 中国港湾建设 |年月第期. 钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的研究 刘亚平 中港第一航务工程局天津! 摘 #$%& 要(本文结合韩庄大桥吊杆张拉施工过程采用空间刚架结构有限元计算程序对钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张 拉过程的内力进行了分析计算揭示了吊杆内力在张拉过程中的变化特性探讨了吊杆张拉控制方法并且分析了不同的张拉次序对吊杆内力的影响)文章对指导施工有较大的实用意义)关键词(系杆拱桥*吊杆*张拉中图分类号(+%,-&&. 文献标识码(/ 文章编号(0$#1#2,!&$&$%1$.1$% 345675489:;4;<3:;8=:5:>?;A9:;A9;B7AC;<=A>:= E4D9;>:=6<3:;6=8?9<F=6GH=9<I 1JK+LMNOPQ !1U$%&RRSTRUOMPVOPWXYZRXPZYZOXPRXYNXYMZOXPOMPVOP#OPM (K1ZF_A8=468PXaOPMZOXPbOZZcZcPOXPOPQXNcYMZOXPXdNcPecYdXYSMPfMPQUOce/YgYOeQccOPZcY11PMhdXYcOPNcPecYeYOPQZcOYZcPOXPOPQdXYMYcOPdXYceXPYcZcZOceMYaYOeQcbcYcMhhMZceMPeMPM11-UhifceaiOPQMdOPOZcchccPZXNZMZOXPNYXQYMcdXYNMZOMhYOQOedYMceZYZYccMhhMZOXPMPe-MPMhicXbceZcMPQOPQacMjOXYXdZcOPZcYPMhdXYcOPZcNcPecYeYOPQZcZcPOXPOPQXNcYMZOXPUccZXeZXXPZYXhZcZcPOXPOPZcNcPecYMPeZcOPdhcPcXdeOddcYcPZZcPOXPOPQckcPcNXPZc-U-OPZcYPMhdXYcbcYcMhXeOceMPeMPMhifcecNMNcYOXdQYcMZcYNYMZOMhOQPOdOMPcdXYXPZYZOXP(Z1*Zlmn:=<AOceMYaYOeQcNcPecYcPOXPOPQo前言 拱肋p吊杆p内横梁p端横钢筋混凝土系杆拱桥由系梁p 梁p桥面板等结构组成其主要的施工程序为( 在支架上现浇系梁混凝土张拉系梁第0批预应力!0束) 浇筑端横梁混凝土吊装内横梁张拉系梁第&批!&预应力束) 拌装拱肋安装吊杆并进行第0次张拉)!#张拉系梁第#批预应力束)!% 安装桥面板浇筑人行道挑梁张拉系梁第%批预!.应力束) 浇筑桥面混凝土进行吊杆第&次张拉)!2安设栏杆拆除支架全桥竣工)!q 从以上的施工程序可以看到在施工过程中分两次对吊杆进行了张拉)第0次张拉是为了加强r拱肋s吊杆s系 收稿日期(&$&1001&& 作者简介(刘亚平!男教授级高工工学博士中港第一航0t2&1 务工程局技术开发处处长主要从事结构工程研究工作) 梁u的整体竖向刚度改善系梁后期的受力特性*第&次张拉为最终张拉以改善全桥在使用期的受力特性同时使系梁基本脱离支架)由于两次张拉的目的不同设计对张拉提高的要求往往也不同第0次张拉时按设计规定的张拉力张拉0遍即可*而在第&次张拉时为了使吊杆的拉力满足设计规定的范围一般需要进行多遍张拉确保吊杆的内力满足设计要求) 由于不同的吊杆张拉次序p不同张拉力大小对吊杆最终的内力有较大影响因此设计往往规定了吊杆的张拉次序和张拉控制值) 为了寻找吊杆内力的变化规律通常采用电算法及实测法)本文以韩庄大桥为例采用电算法较全面地分析了吊杆张拉过程中吊杆内力的变化) 韩庄大桥为主跨,系$v,的下承式无风撑系杆拱桥杆拱采用刚性拱肋p刚性系梁和柔性吊杆体系)拱肋轴线为二次抛物线矢跨比0截面为等高度钢筋混凝土箱型截w2面!截面0v%x0v&)系梁轴线为yz%.$的圆弧为等高度预应力钢筋混凝土箱型截面!0v%x&v0)每片拱肋有0间距为.各吊杆的张拉力设计#根吊杆v2. ; 为!#$%系梁的吊杆位置及系梁与拱肋的连接处设有预应力横梁&横梁与系梁采用刚性连接横梁上铺设纵向桥面整体浇筑面层混凝土&形成整体桥面体系%板&(计算方法 采用空间刚架结构有限元计算程序对吊杆张拉过程的计算简图如图)所示 %内力进行分析计算& FGHIJKJLMNOLPIQHIRRLHIQ DTUD&VWWVSNOQ 杆拱桥吊杆张拉过程内力分析时&对吊杆应进行以下处理%/0*吊杆抗拉刚度的修正 计算简图是由各杆件的中心线在刚架的内力计算时& 构成的&即在计算简图中&各吊杆的长度为所在位置的拱肋而在实际结构中&各吊杆的长中心线到系梁中心线的距离& 度近似等于所在位置的拱肋顶面到系梁底面的距离&可由设计图纸查得%由于两者长度相差较大&在计算中需对吊杆的抗拉刚度进行修正%假定结构受力后计算简图中吊杆长度的变化量等于实际的吊杆长度变化量&并令计算的内力等于实际的内力&则由, 简2简实2实简34实3&且4 简实+56.+56. 可得计算简图中修正后的吊杆抗拉刚度值为, 312 图*计算简图+单位,-. /计算中对吊杆的处理 将空间刚架结构有限元计算程序应用于钢筋混凝土系 简实+56.实2 修正后的各吊杆抗拉刚度值如表)所示% 简3+56. +). 表*吊杆抗拉刚度值修正值 吊杆编号 计算简图的吊杆长度2简=-实际的吊杆长度2实=-实=简22 7号809:7:08)099>8<)7>>7:;)>) 8号;08<7<0!>7)078>8<)7>>7>><!< 9号!0<7)07:)0)<8<)7>>8)<798 :号)0;7)70>9)0)8>8<)7>>87;9; ;号)0>9<)809<)0)778<)7>>88!;: <号)70<99)90)>9)0)98<)7>>8888;> !号)80>:;)909)0)<)7>>889)888 实际的吊杆抗拉刚度+实=56.#$修正后的抗拉刚度+简=56.#$ /0(吊杆在计算中不能承受压力 由于吊杆是由多根高强钢丝组成&每根钢丝两端锚固在镦头锚具上&因此&张拉某根吊杆时&该吊杆的内力可近似地看作等于张拉的荷载值&其大小由连接千斤顶的油压表的读数控制&即可忽略锚具等引起的预应力损失%由于该吊杆的张拉&结构将发生变形&其它吊杆两镦头锚具间的距离发生改变&如锚具已经锁定+对已张拉过的吊杆.则吊杆&的内力要发生变化,如两锚具间的距离减小&则吊杆的拉力式中其减小值1将减小&,56为修正后的吊杆4356& 2 抗拉刚度为上下锚具间距的减小值为锚具间距%对122于上下锚具间距减小的吊杆&相当于该吊杆承受了压力&由于吊杆是不能承受压力的&所以该吊 杆在结构计算中必须置5如两锚具间的距离增大&则吊杆的拉力增大&其63 由于吊杆在结构中可以承受拉力所增大值1&4356&2 以该吊杆在结构计算中置56为修正后的数值% 通过以上分析可知&在计算张拉某根吊杆或其它施工过程或外荷载引起桥梁各部分的变形和内力时&未张拉的吊杆和上下锚具间距减小的已张拉的吊杆不能参与结构计算&但对已张拉的吊杆&吊杆内力要考虑上下锚具间距减小引起的内力减小%图7为第7次第)遍张拉;号吊杆时的拱肋位移曲线&由该曲线可见&:号?;号?<号?!号均处受压状态&所以在结构计算中&设这些吊杆的5但在各&63吊杆的内力计算时&则要考虑由于拱肋的向下位移引起吊 杆拉力的减小% 吊杆张拉过程中吊杆内力的计算 韩庄大桥对吊杆进行了第)>>>年;月)>日A7日&次张拉&各吊杆的张拉控制值为8张拉次序按设计:#$&要求从四分点开始向跨中进行&然后再向拱脚方向进行&即,:号B;号B<号B!号B9号B8号B7号% 图(第(次第*遍张拉C号吊杆时的拱肋位移曲线张拉每一根吊杆&相当于在图)所示的结构上施加)次荷载&即要对结构进行)次计算%累加每次荷载下引起的内力变化&即得该吊杆的内力值%从内力值计算结果可以看到&按设计规定的次序对吊杆张拉)遍后&各吊杆的内力差异是很大的&最大为9最小为)分别为>9D8:#>>D89#$&$&张拉控制值8设计:#9)D)E和:<DE%由此可见&$的)曾经期望的在第7次张拉时张拉)遍即可达到各吊杆内力介于<:A!#$几乎是不可能的% 中国港湾建设 DEED年F月第G期 对吊杆进行第&次张拉%张!年!月!#日$!日%拉次序同上%这次张拉计划分&遍进行%第!遍各吊杆均张第&遍各吊杆均张拉到#以满足设计拉到()*)*+%+%的,各吊杆内力不小于的要求.()*+-对各吊杆第!遍/第&遍张拉进行了计算%从计算结果中可以看到0各吊杆在张拉时施加的拉力等于该吊杆的1!2张拉控制值减去前一根吊杆张拉后该吊杆具有的拉力%并不等于本次的张拉控制值与上次的张拉控制值之差3经1&2过&遍张拉后%尚不满足4号吊杆的拉力只有)5(#*+%设计的,各吊杆内力不小于的要求%需进行第6遍()*+-张拉. 图;第<次第:遍张拉的位移比较 为了确保第6遍张拉后各吊杆的内力满足设计要求%同时考虑到理论计算与实际的差异%经初步试算%提出了第6次张拉(号/4号/号/#号/7号吊杆的张拉控制值分别为#()*+/#6)*+/#!)*+/)*+/#)*+%并且提出6号/&号吊杆无需进行第6次张拉.由第6次张拉计算的各吊杆内力结果中可以看到%按上述张拉控制值张拉后%各吊杆的内力都接近#)*+%即使理论计算没有考虑各种不利影响因素%但已有较大把握使各吊杆拉力不小于()*+.特别是对(号吊杆%设计一直认为该吊杆内力变化最大%故适当加大了该吊杆的张拉控制值%使其在张拉后的拉力稍大于#)*+. !年!月&!日%按上述张拉控制值进行了第6遍张拉.&&日%设计代表到现场%抽样检查了7根(号吊杆%吊杆张拉力均满足要求.至此%吊杆的张拉工作全部结束.8实测位移与计算值的比较 在张拉每根吊杆的过程中%都对千斤顶的油缸伸出量进行了测量%油缸伸出量等于吊杆钢丝伸长量与该点拱肋下沉量及系梁上升量之和.在计算中%同样可以计算出理论的钢丝伸长量/拱肋下沉量和系梁上升量%即可得到油缸伸长量计算值.第!次张拉和第&次的第!遍张拉油缸伸长量的实测值和计算值的比较如图6/ 图7所示 .图9第:次张拉的位移比较 从图6中可以看到%在第!次张拉时%油缸伸长量的实测值和计算值是比较吻合的%实测值稍大于计算值%这可能是由于第!次张拉时锚具本身及钢丝镦头与锚具之间存在一定的间隙造成实测值偏大. 从图7中可以看到%在第&次第!遍张拉时%&号/ 6 号/7号/(号吊杆张拉时油缸伸长量的实测值和计算值比较吻合%而跨中的4号/号/#号吊杆张拉时油缸伸长量的计算值明显大于实测值.分析其原因为0 在吊杆第!次张拉后%进行了安装桥面板/浇筑人行道挑梁/浇筑桥面混凝土等的施工%经计算%相当于在系梁上施加了#()*+的荷载%该荷载必将造成系梁的支承体系下沉%从而引起吊杆内力的增加%从定性分析可知%跨中系梁下沉较大%因而跨中吊杆内力增加较多%由于第&次第!遍张拉时各吊杆的张拉控制值是一定的% 因而跨中吊杆实际张拉时需要施加的荷载减小了.而在计算时并没有考虑这一因素%将第!次张拉结束后各吊杆的内力作为第&次张拉前的内力%因此计算中跨中吊杆施加的荷载大于实际施加的荷载%所以计算的位移值明显偏大.如果第&次张拉前正确测出各吊杆的内力%以此为基准进行计算%相信位移的吻合程度会有改进. =吊杆张拉计算中几个问题的分析=>:张拉次序对吊杆内力的影响 由于系杆拱桥为多次超静定结构% 按不同的次序张拉吊杆相当于给结构施加了不同的荷载%所以最终吊杆的内力是不同的.表&中给出了拱桥第!次张拉6()*+时按6种不同的张拉次序计算得出的吊杆内力结果%可见张拉次序引起的吊杆内力差异是很大的%而第&种张拉次序即从拱脚向跨中张拉的吊杆内力较为均匀.所以%设计人员一般都考虑了张拉次序对内力的影响%施工中一定要按照设计规定的次序进行张拉. =><使张拉后吊杆内力相等的各吊杆张拉控制值的计算方法 当张拉次序确定后%某吊杆的张拉对其他吊杆内力的影响也就确定了%利用该影响系数可以反算出使张拉后吊杆内力相等的各吊杆张拉控制值.以本文设计规定的张拉次序和进行第!次张拉为例%设张拉后要求各吊杆的内力 均为6()*+% 计算各吊杆张拉控制值%方法如下0由计算过程可知%,本次张拉引起各吊杆的内力变化-即为该吊杆的张拉对其他吊杆内力的影响系数%所以利用该影响系数可得各吊杆张拉控制值的计算公式为 ?& 6()?6 A)>(6()?7 A!)>&B?6C6()A6)>7!6() #$%&%(!)*+%,#%$&-%(!+*+%,#-&+%.+%,! /0%&0-(!*+%,#%0&-(!)*+%,#)1&0(!+*! +%,#-,&1+.+%, /0-1&$0(!*+%,/$%&+$(!*+%,#%&%)(!)*!$ +%,#-)&+(!+*+%,#0)&),.+%, /+&)$(!$*+%,#+,&,(!*+%,#-&1)(!*!% +%,/,(!)*+%,/-%&1(!+*+%,/0&-+.+%, 解得各吊杆的张拉控制值如表+所示2按设计规定的张拉次序及表+中的张拉控制值张拉各吊杆3理论上可使张拉后各吊杆的内力均为+%,4526&7减少张拉遍数的张拉控制值确定方法 韩庄大桥在第-次张拉时进行了+遍张拉3能否将第-遍8第+遍合为0遍张拉同时又使各吊杆的拉力满足设计 %,&,&,/,&+010/,&000$&,$+&+%+)&0$-&0/,&-,+ /,&,$,/,&-$,&,)0%,&,%1% ,&,$1-,&0), ,&,+ PQRSTUTVWXYVZSRSVRS 要求9这是能够做到的2 K_K3aaXY 实际上3在第-次张拉计算中求出了该吊杆的张拉对将该影响系数数值除以各吊杆其他吊杆内力的影响系数3 的施加荷载即得该吊杆在单位拉力作用下对其他吊杆的内力影响系数3于是将第-遍8第+遍合为0遍张拉时各吊杆需施加的荷载可由下式计算得出: ;=#;=;=.;=-A,<>?< 式中:为第0次张拉后各吊杆的内力矩阵B为;=;=,<>吊杆张拉单位荷载时的内力影响系数B为各吊杆需施加;=?的荷载3该荷载与各吊杆在张拉前已有的内力之和即为张拉控制值B为设计要求的各吊杆内力值3设均为;=,<452根据第-次张拉计算结果可以得到如下方程组:,&0-,$,&0)+%,&,)-% ,&0,&-1,&-,&,-%+ -,&0,-,GG+,&0%, 0&,/,&+0/,&,1$ 0&,/,&-+-$,&,0$/,&0-+-,&0)0 ,&0)G)G$G , %0)&$#/,&,-+/,&,-1/,&011$0&,/,&0+-,&,+-,/,&-%1$ ,&,)(G,%. 0&,/,&-$/,&0+0&,/,&+-G,&0$,%,&00,&,1,%/,&-+%/,&$)$00&, 求解上面的方程得到各吊杆需施加的荷载G所计算结果见表)出各吊杆的张拉控制值32H如表) 示3于是3按照设计规定的张拉次序逐一进行计算3即可求 表I不同张拉次序的吊杆内力 张拉次序%8$888)8+8-8+8)8%8$8888$8%8)8+8-号+%,&,-&%)+%,&, +号-1&)+0,&)-1&)+ 各吊杆的内力45 )号%号-01&-1+1)&0-01&-1 -)&0+-$&1-%-&1 $号011&+)%&11-,+%,&+ 号+0$&-$-+)&$)+$-&-号)1)&+