高速铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆纠偏分析.pdf

收稿日期:20150812; 修回日期:20150905 作者简介:殷鹏程(1983—),男,工程师,2009 年毕业于同济大学桥梁 与隧道工程专业,工学硕士,E鄄mail:pcyin0609@163. com。 第 60 卷摇 第 4 期 2016 年 4 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 4 Apr. 2016 文章编号:10042954(2016)04004304 高速铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆纠偏分析 殷鹏程 (中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉摇 40063) 摘摇 要:以高速铁路上某钢管混凝土系杆拱桥为实例,分析该桥吊杆偏位的原因及其影响,并对其成桥及运营各时 期监测索力的差别进行判别,采用有限元软件 Midas/ Civil 建立该下承式钢管混凝土系杆拱桥的空间有限元计算模 型,根据索力监测数据结果通过迭代计算得出相应时期的拱桥状态,分析该拱桥在吊杆纠偏工况下的桥梁结构安 全及其变形对列车运营安全的影响,并为后续的纠偏施工给出具体的操作建议,所得结果可用于指导该桥的吊杆 纠偏施工,并可为同类桥梁的施工积累更多的可供借鉴的理论和实践经验。 关键词:高速铁路; 系杆拱桥; 吊杆; 纠偏; 监测索力; 运营安全 中图分类号:U238; U448郾 22+5摇 摇 文献标识码:A摇 摇 DOI:10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 04. 011 Analysis on Rectification of Tied Concrete鄄filled Steel Tubular Arch Bridge on High鄄speed Railway YIN Peng鄄cheng (China Railway Siyuan Survey and design Group Co. , Ltd. , Wuhan 40063, China) Abstract: This paper discusses the cause and influence of the rectification of the tied concrete-filled steel tubular arch bridge suspender of high鄄speed railway and confirms the differences of suspender tensile forces measured in different periods. The finite element program MIDAS/ Civil is used to establish the spatial finite element calculating models of the concrete filled steel tubular arch bridge and the measured suspender tensile force is used to define the corresponding state of the arch bridge by way of successive iterations. The influence of suspender rectification on the safety of bridge structure and train operation is analyzed and specific operation suggestions are offered. The calculating results can be used to guide suspender rectification of arch bridges and provide adoptable theories and practical references for the construction of similar bridges. Key words: High -speed railway; Tied arch bridge; Suspender; Rectification; Measured suspender force; Safety of train operation 1摇 工程概况 某高速铁路主跨为 112 m 的下承式钢管混凝土提 篮系杆拱桥,采用“先梁后拱冶方法施工,结构简图见 图 1。 作为拱梁组合体系,吊杆内力的大小直接影响 到成桥时结构各部位的线形和内力分布[1]。 拱肋平面内矢高 22郾 4 m,矢跨比为 1/5,采用悬链 线线形。 拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面,截 面高度为 3 m,拱肋在横桥向内倾 9毅,系梁采用单箱三 图 1摇 某高铁系杆拱桥结构示意(单位:m) 摇 室预应力混凝土箱形截面。 拱桥吊杆布置采用尼尔森 体系[2,3],吊杆间距为 8 m。 吊杆均采用 127 根 准7 mm 高强低松弛镀锌平行钢丝束,冷铸镦头锚,索体采用 PES(FD)低应力防腐索体。 该桥运营后在系梁箱室内部检查时发现,该拱桥 右侧 12 号吊杆的下锚头有偏位现象,冷铸锚的大螺母 没有与锚垫板顶紧,存在约 5 cm 的空隙,如图 2 所示。 为确保桥梁使用安全和吊杆结构的耐久性要求,原施 工方拟对该吊杆进行纠偏处理。 吊杆编号见图 3。 图 2摇 吊杆下锚头偏位情况 摇 图 3摇 系杆拱桥吊杆编号(单位:m) 摇 2摇 偏位成因及影响分析 吊杆下锚头正确安装时,冷铸锚的锚杯应有一部 分伸入钢套管内,方能使螺母顶住锚垫板,使吊杆内的 高强钢丝均匀受力。 如果下锚头安装时,其锚杯未套 进下钢套筒里,会导致吊杆下锚头的锚杯台阶卡在钢 套筒的锚垫板上,从而使螺母无法拧紧。 图 4 直观地 反映吊杆锚头在正确安装和不正确安装时的承压 情况。 图 4摇 吊杆下锚头与锚垫板之间的承压状况 摇 对于本桥 12 号吊杆的下锚头,由于未正确安装, 锚杯凸台与锚垫板的承压接触面不会大于 100 cm2。 在设计成桥恒载索力(1 190 kN)下,其接触面的压应 力将大于 119 MPa,与管口交叉点附近的接触应力会 更大。 另外,由于下锚头着力点偏心,吊杆张拉后对下 锚头将产生偏心弯矩。 在设计成桥恒载索力下,该偏 心弯矩约为 119 kNm。 偏心弯矩将导致吊杆下锚头上部密封筒(与锚杯 连接的钢管筒)与柔性索体衔接处的微小弯折,该微 小弯折可导致高强度钢丝束在该处的不均匀受力,形 成应力集中点,容易导致高强钢丝疲劳断裂[4],如图 5 所示。 图 5摇 吊杆下锚头变形状态预测示意 摇 3摇 吊杆索力测试情况 本系杆拱桥的吊杆均设有索力测试用的传感器, 各吊杆在上锚头均安装有光纤光栅压力环传感器,在 各施工阶段及成桥阶段对各吊杆都进行了索力测试, 索力测试结果由两家单位分别采用光纤光栅压力环传 感器测试法和频率法获得[5]。 将实测成桥索力与施工图设计索力列表对照,见 表 1。 从表 1 可以看出:实测吊杆索力与施工图中的恒 载索力存在差异,不同测试阶段及不同测试方法测出 的索力也存在差异,对结果进行分析可得出以下原因。 (1) 材 料 参 数 理 论 值 与 实 际 值 不 同 造 成 的 差异[6] 设计按规范采用的材料参数(如材料容重、弹性 模量等)理论值与实际值存在差异,造成计算吊杆索 力理论值和实际值会出现差值。 (2) 桥面二期恒载不同造成的差异 淤本桥施工图设计采用的桥面二期恒载为 158 kN/ m,并由此计算出成桥吊杆索力的理论值。 而成桥 桥面二期恒载约为122 kN/ m(域型板),施工监控单位 应按照实际桥面二期恒载情况计算吊杆索力,并据此 提出吊杆的控制张拉力。 于2010 年 6 月监测的成桥吊杆索力和 2010 年 8 月监测的成桥吊杆索力,该时间段桥面二期恒载还 未全部加载完成,还存在部分桥面栏杆没有安装,桥上 44铁 道 标 准 设 计第 60 卷 电缆及电缆槽盖板未安装完成,此时的桥面二期恒载 应该不超过 102 kN/ m。 2014 年 7 月监测成桥吊杆索 力时,此时本桥已通车运营 3 年,桥面二期恒载约为 122 kN/ m。 表 1摇 吊杆索力对照kN 左侧右侧 吊杆编号设计索力 2010郾 6 监测索力 2010郾 8 监测索力 2014郾 7 监测索力 吊杆编号设计索力 2010郾 6 监测索力 2010郾 8 监测索力 2014郾 7 监测索力 11 2341 2361 2771 10711 2341 2391 096992 21 1171 1941 2481 37921 1171 1761 1961 176 31 0901 6991 04498031 0901 6961 1381 081 41 1431 16188465541 1431 186873686 51 3271 2701 1851 15351 3271 4001 3361 274 61 1631 18197892261 1631 1911 0781 191 71 2951 3071 5251 58271 2951 3681 3391 309 81 1001 1131 0901 04081 1001 106983980 91 3151 4781 4321 43491 3151 2571 3821 378 101 1611 1831 1151 105101 1611 1991 1851 136 111 1991 2711 3391 394111 1991 1421 3531 387 121 1901 2581 3851 055121 1901 1241 056988 12忆1 1901 18498797712忆1 1901 1571 2291 224 11忆1 1991 2041 09998211忆1 1991 2061 1571 266 10忆1 1611 1791 2081 21010忆1 1611 1321 1851 153 9忆1 3151 4731 3251 2949忆1 3151 3201 3551 330 8忆1 1001 1379979298忆1 1001 043986902 7忆1 2951 3251 0201 0437忆1 2951 3021 3161 149 6忆1 1631 1821 0201 0056忆1 1631 1581 032956 5忆1 3271 3081 2731 2785忆1 3271 3811 2441 253 4忆1 1431 2331 2921 0394忆1 1431 2291 2221 314 3忆1 0901 6941 0759853忆1 0901 6941 1301 044 2忆1 1171 2331 0861 0452忆1 1171 2241 1901 302 1忆1 2341 2351 0301 1131忆1 2341 2371 0521 137 摇 摇 (3)吊杆索力测试方法不同造成的差异 吊杆监测由两家单位完成,分别采用了频率法和 采用光纤光栅压力环传感器测试吊杆索力。 两种测试 方法各有利弊,也会存在各自的测量误差。 鉴于上述情况,在对本桥右侧 12 号吊杆纠偏施工 工况进行结构安全和梁体变形检算时,将根据这 3 组 实测吊杆索力数据及其边界条件进行相应的计算 分析。 4摇 吊杆纠偏检算 采用空间有限元分析软件 Midas/ Civil 2012 建立 模型,考虑本桥右侧 12 号吊杆重新张拉纠偏施工为桥 梁单侧单根索力的放松和张拉,进行计算分析。 系梁、拱肋、横撑均采用具有考虑剪切变形功能的 空间梁单元模拟,吊杆采用空间桁架单元模拟。 计算 模型共包括 438 个空间梁单元,48 个空间桁架单元。 空间整体模型几何外形见图 3。 钢管混凝土采用施工 联合截面,考虑钢管与混凝土的共同作用和钢管内混 凝土的收缩徐变[7]。 4郾 1摇 结构安全检算 各吊杆的初张力及张拉次序按原施工图设计实 施,各吊杆索力按监测索力结果进行迭代调整[8,9],并 得出各索力状态下放松右侧 12 号吊杆后拱桥的各项 结构计算指标,限于文章篇幅,文中仅列出最不利状态 下的各项结果。 (1)系梁挠度 在静活载作用下系梁最大竖向挠度为 17郾 0 mm, 挠跨比为1/6 588,满足规范要求[10]。 (2)梁端转角 在 ZK 竖向静活载作用下, 梁端竖向转角为 0郾 69译、-0郾 24译,满足规范要求[10]。 (3)结构应力(表 2) 表 2摇 放松右侧 12 号吊杆后的恒载及运营状态下结构应力 MPa 部位 主梁 拱肋钢管 钢管内 混凝土 工况 上缘最 大应力 上缘最 小应力 下缘最 大应力 下缘最 小应力 恒载-3郾 16-8郾 94-3郾 81-13郾 05 主力组合-1郾 72-9郾 01-1郾 84-13郾 15 主力+附加力组合-0郾 75 -10郾 35-0郾 1-13郾 74 恒载-71郾 1-110-56郾 2-109 主力组合-69郾 2-129-54-120 主力+附加力组合-67郾 2-130-53郾 1-121 恒载-3-7郾 6-1郾 8-6郾 7 主力组合-2郾 5-11郾 4-1郾 4-10郾 4 主力+附加力组合-2郾 3-12郾 1-1-10郾 5 摇 摇 (4)吊杆索力 放松 12 号吊杆后,吊杆索力会进行重分布,对吊 54第 4 期殷鹏程—高速铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆纠偏分析 杆索力影响区域主要集中在 12 号吊杆附近,对远离 12 号吊杆区域的吊杆索力影响较小,表 3 中仅列出产 生较大改变的索力对比结果。 从表 3 可以看出,索力 变化幅度最大在 17% 左右,经验算,索的应力在容许 范围内[11]。 表 3摇 放松右侧 12 号吊杆后的索力对比kN 右侧 索 号 监控 索力 松后 索力 差值 占比 / % 索 号 监控 索力 松后 索力 差值 占比 / % 81 106 1 201郾 7 95郾 78郾 708忆 1 043 1 141郾 8 98郾 89郾 50 91 257 1 314郾 8 57郾 84郾 609忆 1 320 1 452郾 6 132郾 6 10郾 00 10 1 199 1 387郾 8 188郾 8 15郾 70 10忆 1 1321 27013812郾 20 11 1 142 1 240郾 4 98郾 48郾 60 11忆 1 206 1 415郾 5 209郾 5 17郾 40 12 1 124———12忆 1 157 1 276郾 2 119郾 2 10郾 30 4郾 2摇 运营安全检算 (1)放松右侧 12 号吊杆前后恒载作用下的梁体 变形 放松右侧 12 号吊杆,系梁会产生微小的扭转变 形。 恒载作用下,桥面竖向变形情况见图 6,桥面右侧 最大竖向变形2郾 67 mm(下挠),在右侧12 号吊杆下锚 头位置;对应左侧 12 号吊杆下锚头位置桥面的竖向变 形0郾 65 mm(下挠)。 根据杠杆原理对两侧锚点处位移 进行内插,可得 12 号吊杆处桥面横向变形及轨道处位 移,结果显示两侧轨道的最大变形差仅为 0郾 18 mm。 梁体扭转变形引起的两根钢轨的竖向相对变形量远小 于《高速铁路设计规范》(TB 10621-2014)规定的每 3 m 长 1郾 5 mm 的限值[10]。 图 6摇 放松右侧 12 号吊杆前后恒载作用下系梁竖向变形 摇 (2)放松右侧 12 号吊杆后右侧单线行车时的梁 体变形 本桥放松右侧 12 号吊杆后考虑右侧单线行车的 最不利状态,12 号吊杆锚固处系梁两侧的梁体活载变 形见图 7。 同样可得出 12 号吊杆两侧 10 号以及 12忆 号吊杆锚固处的系梁两侧的横向变形。 图 7摇 放松右侧 12 号吊杆前后活载作用下系梁竖向变形 摇 根据活载及恒载下梁体两侧的综合变形值,根据 杠杆原理对两侧锚点处位移进行内插,可得出左右线 的轨道变形情况,见表 4。 由表 4 可看出,放松右侧 12 号吊杆后,在恒载和 活载作用下的轨道变形: 表 4摇 各吊杆锚固处桥面横向变形mm 位置左吊点 左线右线 左轨 线路 中心 右轨左轨 线路 中心 右轨 右吊点 10 号吊杆4郾 125郾 125郾 275郾 416郾 156郾 296郾 447郾 44 12 号吊杆3郾 614郾 74郾 865郾 025郾 825郾 986郾 147郾 23 12忆号吊杆3郾 264郾 094郾 214郾 344郾 945郾 075郾 196郾 02 左、右线 10 ~12 号吊杆之间(8 m 节间)两根钢轨 的轨面变形差均约为 0郾 3 mm; 左、右线 12 ~12忆号吊杆之间(8 m 节间)两根钢轨 的轨面变形差均约为 0郾 7 mm; 梁体扭转变形引起的两根钢轨的竖向相对变形量 远小于《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)规定 的每 3 m 长 1郾 5 mm 的限值[10]。 5摇 纠偏注意事项 (1) 因仅对结构进行静力计算,虽然放松右侧 12 号吊杆后不影响列车通行,为确保线路的正常(高 速)运行,宜在一个“天窗冶时间内完成右侧 12 号吊杆 放松和纠偏张拉工作。 (2)吊杆纠偏张拉前,应在下锚头螺母和锚垫板 之间设置临时楔形钢垫块,避免张拉时吊杆下锚头 滑脱。 (3)拱上张拉设备(包括:千斤顶、螺杆、垫脚、扁 担梁、临时螺母等)若不能在一个“天窗冶时间内安装 或拆除完成,应在拱上绑扎牢固,避免任何设备坠落影 响行车安全。 (4)吊杆放松后,应检查吊杆下锚头的锚杯与密 封筒衔接部是否有损坏、检查密封筒与索体衔接部的 密封圈是否损坏;若有损坏,应考虑先更换该吊杆。 为 避免影响线路正常运营,在吊杆放松施工的“天窗冶时 间内,应将该吊杆纠偏,并按放松前的索力先张拉到 位;在安排重新制造的吊杆到位后,再进行吊杆更换。 (5)吊杆纠偏安装到位后,吊杆套管内的阻蚀密 封膏应重新填注,吊杆减振器、防水罩按原施工图设计 的要求重新安装到位[12]。 6摇 结论 (1)按吊杆理论索力和 3 组实测索力,在考虑放 松右侧 12 号吊杆的情况下,分别对结构进行了检算, 包括活载挠度、活载梁端转角,包括系梁、拱肋钢管和 管内混凝土在恒载、主力及主+附组合情况下的应力。 计算结果表明,各项指标均在设计规范的允许范 围内[8]。 (2)在恒载作用下,放松右侧 12 号吊杆时,系梁 会产生微小的扭曲变形。 在同一个横截面处,桥面左、 64铁 道 标 准 设 计第 60 卷 蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯 右两侧的竖向位移差不大于 2郾 0 mm;内插到左、右线 路中心,竖向位移差不大于 0郾 2 mm。 计算还考虑了最 不利梁体扭转变形的荷载工况,即放松右侧 12 号吊杆 后右侧单线行车。 该工况下,桥面左、右两侧活载竖向 位移的最大差值为 3郾 6 mm;内插到左、右线路中心,竖 向位移差不大于 0郾 7 mm。 叠加恒载变形后,左、右线 路中心的竖向位移差累计不大于 0郾 9 mm。 对同一条 线路的两根钢轨,其竖向变形差满足设计规范的限值 要求[7]。 (3)以某高速铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆纠偏 实例为背景,通过分析其吊杆偏位的成因、影响、索力 监测数据差异等各项因素,对该拱桥在吊杆纠偏工况 下的桥梁结构安全及运营安全进行了计算和评价,并 对后续纠偏施工给出操作建议和指导。 后续工作将以 施工监控实测值为基础,对理论计算结果进行校核。 参考文献: [1]摇 陈宝春. 钢管混凝土拱桥[M]. 北京:人民交通出版社,2007. 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