钢管混凝土拱桥施工监控与索力张拉优化.pdf

BI uDGE AND TUNNEL CoNS TRUCTI oN AND M ACHI NERY 文章 编号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 8 2 0 4 钢管混凝土拱桥施工监控与索力张拉优化 刘 治 勇 ( 济南铁路局 ， 山东 济南2 5 0 0 0 1 ) 摘 要 ： 以新建 龙烟铁 路跨 2 1 3省 道 大桥 钢 管混 凝 土 简支 系杆 拱 为工程 背景 ， 采 用有 限元进 行 了全 桥施 工阶段 的模 拟 分析 ， 给 出 了主 梁 、 拱 肋 的预拱 度 。通过 对 吊杆 的 3种不 同的 张拉 顺 序 方案进 行 比较 ， 指 出间 隔式分批 对称 张拉 较 为合理 ， 计 算得 到 该方案 下 吊杆 的初 始张拉 力 和主要 施 工阶段 的 吊杆 内力值 ， 并 对主 梁施 工方 案进 行 了概 述 。 关键 词 ： 系杆 拱 ； 施 工模 拟 分析 ； 预拱 度 ； 张拉 顺序 中图分 类号 ： U4 4 8 2 2 文献标 志 码 ： B Co ns t r u c t i o n Co nt r o l o f Co nc r e t e f i l l e d S t e e l Tu b u l a r Ar c h Br i d g e a n d Opt i m i z a t i o n o f Ca b l e Te ns i o ni ng LI U Zhi y o ng ( J i n a n Ra i l wa y Ad mi n i s t r a t i o n ，J i n a n 2 5 0 0 o 1 ，S h a n d o n g，Ch i n a ) Ab s t r a c t：Co mbi ne d wi t h t h e t i e d a r c h br i d ge wh i c h r u ns a c r o s s t he n e wl y bui l t Lon gy a n Ra i l wa y a nd i s s i mpl y s u pp o r t e d b y c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u be s o n 21 3 p r o v i nc i a l hi ghwa y，f i n i t e e l e me nt m e t ho d wa s a p pl i e d t o c a r r y o ut t he s i m u l a t i o n an a l y s i s o f t h e wh ol e b r i dg e c on s t r u c t i on s t a ge ， a nd t he c a mbe r s of ma i n be a m a nd a r c h r i b we r e p r e s e n t e d Th r e e s c he m e s o f t e n s i o ni n g or d e r s we r e c o mpa r e d， a nd ba t c he d s y mm e t r i c t e ns i o ni n g wa s f oun d t he mos t r e a s on a bl e Th e i n i t i a l t e n s i o n o f t h e b o o m a n d i n t e r n a l f o r c e d u r i n g ma j o r c o n s t r u c t i o n we r e c a l c u l a t e d，a n d t h e c o ns t r uc t i o n s c he me f o r ma i n b e a m wa s s umma r i z e d Ke y wo r d s ：t i e d a r c h b r i d g e；c on s t r u c t i on s i m u l a t i o n a n a l ys i s；c a mb e r；t e n s i on i ng o r de r 0 引 言 新 建 龙烟 铁路 跨 2 l 3省道 大桥 1 8 0 m 钢 管混 凝土 简 支 系 杆 拱 起 讫 里 程 为 DK 0 4 7 + 3 6 0 6 5 DK 0 4 7 + 4 4 3 9 5 ， 与2 1 3省 道 公 路 交 叉 里 程 为 DK0 4 7 +4 0 4 7 5 ， 铁 路线 路 与 2 1 3省 道 公 路 线 路 的 夹角 为 4 1 。 1 6 4 ” ， 桥下 2 1 3省道 公路 下穿 通 行 。 该 系杆拱桥 下 部结 构 为钻 孔桩 、 承 台、 圆端 形 墩 柱 ， 每个墩 下采用 1 1 根 直径 1 2 5 m、 长 1 6 m 的钻 孔 桩， 承台为 1 2 3 mX8 2 mX 2 5 m长方体， 下部结构 采用钢筋 混凝 土实 心 墩 。桥 梁结 构 形式 为 简 支梁 拱 组合结构 ， 箱梁 总 长度 为 8 3 m， 计算 跨 径取 8 0 0 m。 主梁截面形式 为单箱双室， 拱肋截 面形式则为哑铃 形 ， 采用钢 管混凝 土结构。拱肋矢高 1 6 m， 矢跨 比 收稿 日期 ： 2 0 1 5 o 1 - 1 1 8 2 1 5 。 拱轴 线采 用 悬 链 线 ， 拱肋 上 下 两 钢 管 中心 距 为 1 5 m， 拱肋 截 面 全 高 2 3 m， 横 向中 心距 为 6 9 m。 全桥共设 置 1 4对 吊杆 ， 第 一根 吊杆 至拱 脚 的距 离 为 7 5 m， 其余 吊杆 中心相互 间距均 为 5 0 m。 l 施工监控有 限元分析 1 1 有 限 元计算 模型 采 用 有 限 元 软 件 MI DAS C I VI L对 该 钢 管 混 凝 土 系杆 拱 桥 的施 工 阶段 进 行 模 拟 计 算 。在 建 立 模 型 的 过 程 中对 实 际 桥 梁 结 构 进 行 了简 化 ， 但 并 不影响计 算 的准确 性口 。 。主梁和拱 肋 均采 用 梁 单 元 模 拟 ， 吊杆 用 只 受 拉 索 单 元 进 行 模 拟 。计 算 模 型 节 点 总 数 为 1 1 0个 ， 梁 单 元 为 5 5个 ， 只 受 拉 索 单 元 为 1 4个 。其 中 ， 将 拱 肋 截 面 由原 来 的 双 材 BI uDGE AND TUNNEL CoNSTRUCTI ON AND M ACHI NERY 料 钢 管 混 凝 土 哑 铃 形 截 面换 算 为 单 一 材 料 的 混 凝 土矩形 截 面 。根 据 施 工 图 纸并 结 合 该 桥 实 际情 况 ， 考虑包括 自重 、 预应 力 等所有 施 工 阶段 荷 载 ， 建 立 全 桥 有 限 元 模 型 ， 对 该 桥 的施 工 阶 段 进 行 了 正装 分 析 ， 得 到 各 施 工 阶 段 结 构 的 变 形 和 应 力 状 态 。该 系杆 拱 桥 单 元 划分 如 图 1所 示 。 、 醒 f 霉 雩 n 1 图 1单 7 5 划 分 1 2有 限元计 算结 果 1 2 1施 工阶段 累计位 移 计算 结果 根 据有 限元 分 析 结 果 ， 可 得 主要 施 工 阶段 结 构 的累计 位移 值及 结 构变 形 图 ， 成 桥 阶段 主梁 、 拱肋 累 计位 移 如 图 2 、 3所示 。 基 一4 一 - 1 一 1 6 一 一 + 二期恒载一 收缩徐变1 5 0 0 d 注 ：为方便绘制，横 坐标未按 比例 标注。 图 2 主梁 累计位移 4 9 1 4 1 9 2 4 2 9 3 4 3 9 4 4 4 9 5 4 5 9 6 4 6 9 7 4 7 9 一 二期恒载一收缩徐 变1 5 0 0 d 图 3 拱肋 累计位移 1 2 2 预 拱度 计 算结 果 根据施工阶段累计位移计算结果， 计算出主梁、 拱 肋 的预拱度 ( 相对于设计标高) ， 分别如表 1 、 2 所 示。 表 1 主梁预拱度计算 m 收缩徐变 活载竖 向 不考 虑支架 考虑支架变形 X坐标 m 预计支架变形 备注 1 5 0 0 d位移 最 大位移 变形预拱度 的预拱度 1 5 O O 0 O 0 左 支 座 9 O 一0 0 0 0 8 0 0 0 2 7 0 0 0 2 l 5 0 0 0 8 0 0 1 0 1 5 l 吊杆 1 4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 4 8 0 0 0 6 9 O 一0 0 0 8 0 0 1 4 9 0 2 吊杆 1 9 0 0 0 0 9 6 0 O 0 6 7 0 0 1 2 9 5 0 0 0 8 0 0 2 0 9 5 3 吊杆 2 4 0 0 0 1 5 0 0 0 0 8 4 0 0 1 9 2 O 0 O O 8 0 0 2 7 2 O 4 吊杆 2 9 0 0 0 1 9 9 0 0 0 9 6 0 0 2 4 7 O 一0 0 0 8 0 0 3 2 7 0 5 吊杆 3 4 O 一0 0 2 3 6 0 0 1 0 6 0 0 2 8 9 O 一0 0 0 8 0 0 3 6 9 0 6 吊杆 3 9 O 一0 0 2 5 6 0 0 1 1 0 0 O 3 1 1 0 0 0 0 8 0 0 3 9 1 0 7 吊杆 4 4 0 0 0 2 5 6 0 0 1 1 0 0 O 3 1 1 0 0 0 0 8 O 0 3 9 1 0 7 #吊 杆 4 9 O 一0 O 2 3 7 0 0 1 0 6 0 0 2 9 O 0 0 0 0 8 0 0 3 7 O 0 6 吊杆 5 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 9 6 0 0 2 4 8 O 一0 O 0 8 0 0 3 2 8 0 5 吊杆 5 9 0 0 0 1 5 1 0 0 0 8 4 0 0 1 9 3 O 一0 O 0 8 0 0 2 7 3 0 4 吊 杆 6 4 0 0 0 0 9 7 0 0 0 6 7 0 0 1 3 0 5 0 0 0 8 3 3 吊杆 6 9 O 0 0 0 4 6 0 0 0 4 8 0 0 0 7 O 0 0 0 0 8 0 0 1 5 0 0 2 吊杆 7 4 0 0 0 0 0 9 0 0 0 2 7 0 0 0 2 2 5 0 0 0 8 O 0 1 O 2 5 l 吊杆 8 1 5 O O O O O 右支座 2 吊杆 张拉 顺序优化分析 与施工 阶段 内力计算 2 1 吊杆 张拉 顺序 优化 分 析 由于不 同拱 桥结 构 均具 有相 应 的最 佳线 形 和最 优受力状态 ， 因此 ， 施工时吊杆张拉顺序及对应的施 工张 拉力 分 析和 优化 就显 得 尤为 重要 。通常 吊杆 初 始张拉力的计算都采用试算法 ， 但这种方法计算繁 琐 ， 施 工参 数计 算 应 用适 应 性 不 强 。随着 计 算 机技 术的快速发展 ， 研究人员结合有限元软件， 将力学或 者数学模型理论应用到实际计算 中， 求得 吊杆的张 拉顺序及对应的施工张拉力 ， 为 吊杆施工技术的应 用提供 了良好的理论依据。其 中， 倒退分析法被广 泛 应 用 于该 类桥 梁 吊杆 的初始 张 拉力 计 算 ， 它 以成 8 3 5 0 5 0 5 O 5 O 一 g u v 酶 BRI DGE AND TUNNEL CONS TRUCT1 0N AND M ACHI NERY 表 2 拱肋预拱度计算 m 收缩徐变 活载竖向 不考虑支架 考虑支架变形 X坐标 m 预计支架 变形 备注 l 5 0 0 d位移 最大位移 变形预拱度 的预拱度 1 5 O 0 O O 0 左 支 座 9 O O O O l 5 0 0 0 3 2 0 0 0 4 7 0 0 0 8 0 0 1 2 7 1 吊杆 1 4 0 0 O 0 3 7 0 0 0 4 2 0 0 O 7 9 0 0 0 8 0 0 1 5 9 2 吊杆 l 9 0 0 0 0 6 4 0 0 0 4 4 0 0 1 0 8 0 O 0 8 0 0 1 8 8 3 吊杆 2 4 0 0 0 0 9 0 0 0 0 4 2 0 0 1 3 2 0 0 0 8 0 O 2 1 2 4 吊杆 2 9 O 0 0 1 1 1 0 0 0 3 6 0 O 1 4 7 0 0 0 8 0 O 2 2 7 5 吊杆 3 4 0 0 0 1 2 6 0 O 0 2 8 0 0 1 5 4 0 0 0 8 0 O 2 3 4 6 吊杆 3 9 0 0 0 1 3 3 0 O 0 2 O 0 0 1 5 3 0 0 0 8 0 O 2 3 3 7 吊杆 4 4 0 0 0 1 3 3 0 O 0 2 0 0 0 1 5 3 0 0 0 8 0 0 2 3 3 7 吊杆 4 9 0 0 0 1 2 5 0 0 0 2 8 0 0 1 5 3 0 O 0 8 0 0 2 3 3 6 吊杆 5 4 O 0 0 1 1 0 0 0 0 3 6 0 0 1 4 6 0 0 0 8 0 O 2 2 6 5 吊杆 5 9 O 一0 0 0 8 9 0 0 0 4 2 0 0 1 3 1 0 0 0 8 0 0 2 1 1 4 吊杆 6 4 0 0 0 0 6 3 0 0 0 4 4 O O 1 0 7 0 0 0 8 0 0 1 8 7 3 吊杆 6 9 0 0 0 0 3 6 0 0 0 4 2 0 O 0 7 8 0 0 0 8 0 0 I 5 8 2 吊杆 7 4 0 0 O 0 I 4 一O 0 O 3 2 0 0 0 4 6 0 0 0 8 0 0 1 2 6 1 吊杆 8 1 5 O O O O O 右支座 桥后 的合 理 受力状 态 为基 础 ， 按 逆 作 施 工 顺 序 进 行 倒拆 计算 ， 得 到全 部 吊杆 的初 始张拉 力值 ， 再 将这 些 值按 照顺 作 施工 阶段 赋 予 吊杆 。经 计 算 分 析 可 知 ， 可以以主梁和拱肋 的弯矩值作为控制参数， 优选合 理的张拉顺序 ， 为吊杆施工工作提供技术保障 。 本文给出 3种 吊杆的张拉顺序方案 ， 通过分析 比较 3种方 案下 每个 施工 阶段 拱肋 控 制关键 截 面 的 应 力大 小 ， 得 出最优 方案 。 方 案一 ： 同时从 两 边 拱 脚 附 近 的 吊杆 向拱 顶 依 次分批 对称 张拉 ， 张 拉顺 序 为 ： 1 一 2 一 3 一 4 一 5#一 6 7 。 方案二 ： 同时从拱顶到两边拱脚依次分批对称张 拉 ， 张拉顺序 为 ： 7 一6 一5 一 4 一 3 一2 一 1 。 方 案 三 ： 间 隔 式 分 批 对 称 张 拉 ， 张 拉 顺 序 为 ： 6 4 2 7 5 3 1 。 通 过 有 限元施 工 计 算 分析 ， 得 出 3个 方 案 下 主 要施 工 阶段拱 肋关 键控 制截 面处 上下 缘 的应力 。本 文给出了拱脚和拱顶附近应力值随施工过程的变化 曲线 ， 如 图 4 、 5所示 。 3个方 案相 比较 ， 如 采 用 方 案 1和 方 案 2的 张 拉顺 序 ， 拱脚 附近 管 内混凝 土 的上缘 均 出现拉 应 力 ， 其 中从 两边 拱脚 到拱 顶 对 称 张 拉 ( 即方 案 一 ) ， 最 大 拉 应力 达到 2 5 MP a ， 而方 案 三 拱 脚 上 缘 没 有 拉 应 8 4 ： 一 ： 施 工 阶 段 XX - - 图 4 拱脚附近管内混凝土上缘应力 变化 曲线 = = =4 - 7 j 图 5拱 顶 附 近 管 内混 凝 土 F缘 应 力 变 化 曲 线 力 出现 ； 方案 一和 方 案 二 的 张拉 顺 序 引 起拱 顶 附 近 管 内混 凝 土 的下 缘 均 出 现拉 应 力 ， 其 中最 大 为 2 2 MP a 。拉 应力 的 出现容 易导 致混 凝土 开裂 。综 合 考 虑 ， 方案 三 的张拉 顺序 比较 合理 。 2 2施工阶段 吊杆内力计算结果 通过吊杆张拉顺 序的优化分析 ， 确定方案三为 吊杆 的张拉 顺序 ， 即张拉顺 序 为 ： 6 一 4 一 2 一 7 -* 5 一 3 一 1 ， 通 过 倒 装 分 析 得 出 吊 杆 的 初 始 张 拉 力 ， 如 表 3 所 示 。 表 4 给 出 了 主 要 施 工 阶 段 吊 龟 R 一 一 日 d I 遥 毯 B RI DGE AND TUNNE L CONS TRUCT I ON AND M ACHI NE R Y 表 3吊杆初始张拉力 k N 吊杆 编 号 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 7 # 初始张拉力 5 5 O 5 O O 4 0 O 5 O O 3 0 0 4 0 0 3 0 0 表 4吊杆 内力值 k N 吊杆编号 张拉 吊杆 6 张 拉吊杆 4 张拉吊杆 2 张拉吊杆 7 张拉吊杆 5 张拉吊杆 3 张拉 吊杆 l 拆除系梁支架 二期恒载 1# 5 3 1 5 5 0 6 0 9 2# 4 7 7 4 7 9 4 7 5 4 5 9 4 4 6 5 O 3 5 9 9 3# 3 8 3 3 7 5 4 6 7 5 9 1 4# 47 8 4 6 7 4 6 1 4 4 9 4 3 6 4 3 2 5 5 4 6 9 7 5# 2 8 6 2 7 7 2 7 7 4 2 1 5 8 1 6# 3 7 2 3 5 8 3 5 7 3 3 5 3 2 1 3 1 7 3 1 8 4 7 8 6 4 5 7# 2 7 4 2 6 0 2 5 8 2 5 9 4 2 7 5 9 9 杆 内力 的计 算 结果 。 3 箱形主梁 总体施 工方案 3 1混凝 土 施工 方案 一 次完成 浇筑 ， 浇 筑顺 序 为 ： 纵 向混凝 土 先 从 中 间向两端进行 ， 先浇筑梁体 C 5 5 混凝土， 再浇筑端部 9 0 m的 C 5 5补偿混凝土 ； 横向从下往上依次浇筑。 为了防止空气滞 留， 致使梁体混凝土存在空隙 ， 应严 格控制混凝土的浇筑顺序 、 浇筑层厚和振捣时间。 浇筑混凝土进行振捣 时， 要保证 波纹 管不 发生 任何位移 ， 特别是不能上浮 ， 确保后期预应力张拉达 到预期效果。应特别注意预埋件 的施工 ， 确保 梁体 混凝土浇筑前完成所有预埋 件安装 ， 并保 证位置正 确 。此外 ， 混 凝 土浇 筑应 避开 温度 较 高 的时 间段 ， 一 般应在夜间进行施工 。现场取样测定的混凝土坍落 度与施工要求 的坍落度( 1 6 2 0 c m) 误 差范围宜控 制在 2 c m 内 。不 合 格 的混 凝 土 不 得 在 该 工 程 上 使用 ， 确保施工和后期运营的安全 。 3 2 预 应 力筋 张拉 方案 采 用先横 向 、 再纵 向 、 后 竖 向的 张拉顺 序 。在 实 际 张拉 前应 检查 孔 道 曲 线 ， 以及 张 拉 设 备 是 否 安 装 正确 ， 锚 具 和千 斤顶 否保 持在 一条 直 线 ， 以避 免发 生 偏 心 受 拉 。张拉 程 序 为 ： O 一 1 0 2 0 一 一 持荷 5 rai n 。然后 ， 校 核锚 下 张 拉 控 制 应 力 ， 主 油 缸 回油 锚 固 ， 副油 缸供 油卸 千斤 顶 。 4 结 语 本 文对新 建 龙 烟 铁 路 跨 省 道 2 1 3大 桥 ( 1 8 O m) 系杆拱桥进行 了全桥施工 阶段模拟分 析和 吊杆 张拉顺序优化分析 ， 得到以下结论 。 ( 1 )得 到各 主要施 工 阶段 结 构 的最 大 、 最 小 累 计位移值及 结构 变形 图， 为施 工监 控提供 了理论 依 据 。 ( 2 )计算 了 主梁 、 拱 肋 的预 拱 度 ( 相 对 于 设 计 标高) ， 保证了成桥后桥梁线形满足设计要求 。 ( 3 )通 过对 吊杆 3种不 同的 张拉顺 序 方 案进 行 分析 比较 ， 发 现间 隔式分 批对 称 张拉较 为合 理 ， 并 计 算得 到该 方案 下 主要施 工 阶段 吊杆 的初始 张拉 力和 内力值 。 ( 4 )通 过 比较 施 工 方 案 ， 确 定 该 钢 管 混 凝 土 简 支系杆拱桥采用钢筋一次绑扎、 一次浇筑 的总体施 工 方案 。 参 考文 献 ： I 钟善桐 钢管混凝土 结构 M 第三 版 北 京 ： 清华 大 学 出版 社 ， 2 0 0 3 2 钟善桐 钢管混凝 土结构在我 国的应用和发展口 建筑技术 ， 2 0 0 1， 3 2 ( 2 )： 8 0 8 2 3 霍明刚 ， 严娟 ， 李若 铭， 等 下 承式钢管混凝土系杆拱桥 吊杆 张拉力确 定 分析 J 城市 建设 理 论 研究 ， 2 0 1 4 ， 4 ( 9 ) ： 6 3 8 6 4 0 4 段波 ， 曾德荣， 卢 江 关 于斜拉桥 索力测定 的分析 J 重 庆交通学院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 4 ) ： 7 - I 2 5 贺修泽 ， 付晓宁 斜 拉索 的索力 测试 J 中外公路 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 6 )： 3 8 - 3 9 6 赵洋 ， 李树山 ， 李晓克 系杆拱桥 吊杆索力测 试研究 J 工 程抗震与加固改造 ， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 4 ) ： 5 6 6 0 7 方志 ， 张智勇 斜拉桥的索 力测试 J 中国公路学 报 ， 1 9 9 7 ， l 0 ( I )： 5 1 5 8 责任编辑： 谭忠华 85