某钢管混凝土拱桥加固工程吊杆力分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 0 期( 总第 1 9 6期) 某钢管混凝土拱桥加固工程 吊杆力分析 楼旦丰 ， 李鹏吴 ， 郑晨曦 ( 浙江大学建筑工程学院 杭 州3 1 0 0 5 8) 【 摘要】 钢管混凝土梁拱组合桥梁是钢管混凝土拱与系梁、 吊杆组合而成的结构体系， 由于其材料利用率 高， 受力合理， 在工程中得到广泛的应用。但在桥梁长期的运营和使用过程中， 随着交通量和车辆载重量的增加， 会使结构在使用过程中出现不同程度的损伤和病害， 其 中就包括吊杆力的变化。吊杆力的变化会影响桥面的线 型和内力分布， 导致结构受力特性和承载能力变化。本文采用影响矩阵法， 对一钢管混凝土拱桥加固过程中的吊 杆力重新张拉 ， 达到调整原桥线型， 消除系杆下缘拉应力的目的， 提高原桥安全性能。 【 关键词】 钢管混凝土钢桥； 吊杆力确定 ； 影响矩阵法 【 中图分类号】 T U 7 5 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 6 6 0 2 梁拱组合体系桥梁由受弯为主的梁以及受压为 主的拱肋组成， 吊杆将桥面上的荷载传递到拱肋， 使 各构件共同受力。在桥梁结构长期使用和运营过程 中， 由于外部环境和荷载的共同影响， 会使吊杆力发 生变化， 使得系梁下部出现拉应力 ， 严重时会使系梁 产生裂缝。因此在桥梁加固过程中， 应该对吊杆力重 新进行计算、 张拉， 保证结构 的线型和受力状态。本 文通过一个钢管混凝土拱桥加固实例， 采用零位移法 确定成桥阶段吊杆力 ， 影响矩阵法确定各施工 阶段的 吊杆张拉力， 对大桥进行了加固阶段的吊杆张拉。 1 工程概况 某 桥梁全长 2 0 6 , 8 6 m， 全宽为 2 9 5 m， 主跨采用钢 管混凝土拱桥， 标准跨径 6 8 m， 计算跨径 6 5 m， 矢 高 1 3 m， 拱肋矢跨比 1 ： 5 ， 拱轴线形式为二次抛物线。主 桥断面为两片拱型式， 拱肋 中对 中间距为 1 8 5 m。主 桥吊杆 总 共 3 0对 6 o根 ， 其 中钢 丝 标 准强 度 为 1 6 7 0 b l P a ， 吊杆采用 6 1 5钢丝， 吊杆顺桥向中心距离 4 0 m。主拱肋为等截面横哑铃形钢管混凝土结构 ， 肋 高 0 8 m， 肋宽2 O m， 由左 、 右二根 8 0 e m的钢管通过 中间腹板联接而成， 钢管采用 Q 3 4 5 b钢板卷制而成， 管壁厚度为 1 4 ra m， 腹板厚 1 2 ra m， 拱肋内灌 C 5 0混凝 土， 形成钢管混凝土结构。系梁为预应力混凝土结 构， 采用箱型断面， 宽 2 5 m， 高 2 0 m， 壁厚 4 0 e m。预 应力采用钢绞线锚固于系梁端部 ， 一道系杆设 8柬 1 4 h 1 5 2的预应力钢铰线。 主桥整体为刚拱刚梁结构。拱肋与系梁， 端中横 梁及吊杆连接成一个内部超静定， 外部为静定的结 构。主跨拱肋 吊杆立面布置见图 1 。 2 成桥状态 吊杆力的确定 成桥状态 吊杆力 的确定 ， 主要 有指定受 力状态 法 ( 零位移法和刚性支承连续梁法) 、 有约束索力优化法 ( 用索量最小法和弯曲能量最小法) 、 无约束索力优化 ； 二= = = = 1 IN 2 3 N 4 N 5 N 6 N 7 N 8 N 9 l 0 N I l N l 水l l 4 I = 口= _ - J _ _ = _ 一 图1 拱肋 吊杆立面布置图 法( 弯矩最小法和弯矩能量最小法 ) 等u 。文献分 别采用刚性支承连续梁法、 力的平衡法、 刚性吊杆法 确定了某梁拱组合桥柔性吊杆张拉力， 并分析了各种 方法的优缺点和适用条件。文献 3 利用最小弯曲能 量原理确定成桥状态吊杆力 ， 得到了合理的结果。本 文采用零位移法求解成桥状态吊杆力。 零位移法 以最终成桥状态下系梁 的位移为控制 目标 ， 确定一组吊杆索力使得成桥状态下 吊杆和系梁 连接处节点的位移为零。求解时， 首先计算在恒载 和现有 吊杆力作用 下 ， 吊杆和 系梁连接处 各点 的竖 向 位移 _ W 。 ， ， ， ； 然后计算施加单位吊杆 力产生的位移影响矩阵 6 = 氏i ， 氐表示第 根吊杆 施加单位荷载时， 对第 i 号节点位移产生的影响值。 在恒载和最终吊杆力共同作用下 ， 使成桥 阶段系梁位 移 为零 ， 则可 以写 出线型方程组 ： 艿 + = 0 ( 1 ) 式中， N = N ， i v 2 ， ， 。 为成桥状态 目标 吊 杆力 ， ( i =1 ， 2 ， ) 表示成桥状态下第 i 根吊杆的 吊杆力。求解方程组( 1 ) 即可得到一组成桥状态下的 目标吊杆力 ， 见表 1 。 3 施工阶段吊杆张拉力的确定 在实际施 工中 ， 目标 吊杆力 无法 一次性 同时施 加 到吊杆上， 而是分批依次张拉的。后张拉的吊杆会使 先张拉的吊杆索力产生变化， 使张拉完毕后最终成桥 状态吊杆力达不到 目标设计值。因此， 如何确定吊杆 楼旦丰等： 某钢管混凝土拱桥加固工程吊杆力分析 6 7 的张拉顺序， 并根据张拉顺序确定每根吊杆的施工控 制张拉力， 使得张拉施工完成后 ， 所有 吊杆索都能同 时达到目标设计值具有重要的意义。合理的施工顺 序和相应的吊杆张拉力的确定可以大大缩短施工时 间， 保证成桥阶段 吊杆力达到 目标设计值， 使得 主桥 线型和受力状态都满足设计要求。 表 1 成桥状态目标吊杆力 k N 目前 ， 常用计算 吊杆施工张拉力 的方法有倒拆 法、 迭代法、 影 响矩阵法等 。每种方法各有优缺 点， 文献 7 利用倒拆法得到某系杆拱桥的吊杆张拉 力， 但采用倒装法计算时需考虑现浇主梁支架情况 ， 适时调整边界条件， 才能保证其与实际情况相符 ， 得 到正确结果。迭代法较为简单直观， 但消耗时间较 多， 尤其涉及 到几何 非线性和 收缩 徐变时， 收敛 较 慢 。对于小 变形 、 线 弹性 结构 ， 可采 用影 响矩 阵法 。 本文采用影响矩阵法。 影响矩阵是指某根吊杆施加单位荷载时， 对其余 各吊杆力产生的影响值， = t ， 为第_ 根吊杆 张拉时对第 i 根吊杆产生的影响值。通过有限元软件 计算得到影响矩阵后 ， 可通过求解以下线性方程组， 得到吊杆施工张拉力： T = J7v ( 2 ) T = ， ， ， 。 为吊杆施工控制张拉力。 本桥吊杆张拉顺序为从跨中张拉至拱脚 ， 两侧 吊 杆依次对称 张拉， 即 N 8 - + N 7 、 N 9 一N 6 、 N 1 0 一N 5 、 N 1 1 一 + N 4 、 N l 2 _ N 3 、 N 1 3 _ N 2 、 N 1 4 N l 、 N 1 5 。 由于本 桥 是加 固工 程 ， 各 吊杆原 本就 有 吊杆力 ， 故根 据 张拉顺 序， 通过有限元计算 ， 可得到满秩影响矩阵： B = 根据得 到的影响矩 阵和 目标 吊杆 力 ， 求 解线性 方 程组( 2 ) ， 可得各吊杆施工控制张拉力和张拉完成后 各吊杆的吊杆力， 见表 2 ， 由于本桥为对称张拉， 故只 列出一半吊杆力的数值。 表 2 施工阶段吊杆张拉力 k N 由表 2可知， 按照影响矩阵法计算得到的施工张 拉力， 依次对吊杆进行张拉， 一次张拉完后各吊杆力 和 目标 吊杆力几乎一致 ， 最大的误差为 0 2 7 。 当然， 实际施工过程中， 根据拱桥施工顺序和工 艺， 吊杆张拉也可采用二次张拉和多次张拉的方法 ， 主要是避免一次张拉过程中， 个别 吊杆拉力过大， 导 致主梁或主拱受力不合理。因此在确定施工张拉力 的过程中， 要保证张拉值不超过各吊杆的设计承载力。 4结语 梁拱组合体系拱桥在设计和施工过程中， 成桥吊 杆力和吊杆施工张拉力的确定是最重要的问题。本 文通过零位移法确定成桥阶段的吊杆力 ， 保证了结构 的线性和受力状态， 利用影响矩阵法计算各施工阶段 吊杆的张拉力， 达到一次张拉便达到 目标设计吊杆力 的目的， 避免了反复张拉调索， 大大缩短了施工工期。 参考文献 1 冒琴 梁拱组合桥吊杆成桥索力的确定 J 中外公路， 2 0 0 7 。 2 7 ( 3 ) ： 1 0 21 0 4 2 叶建龙， 孙建渊 梁拱组合桥柔性吊杆张拉力的确定及分析 J 东北公路， 2 0 0 0 ， 2 3 ( 1 ) ： 4 4 4 7 3 朱颖， 李传习 红港大桥合理戚桥状态及吊杆索力的确定 J 长沙理工大学学报( 自 然科学版) ， 2 0 1 0 ， 0 7 ( 3 ) ： 3 l 一 3 5 。 8 4 4 李洪波， 马玉全， 于天龙 基于影响矩阵的系杆拱桥合理成桥 吊杆索力确定 J 科学技术与工程， 2 0 0 9 ， 9 ( 1 0 ) ： 2 8 1 7 5 尹明 钢管混凝土系杆拱桥吊杆施工张拉力计算 J 公路工 程 ， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 0 11 0 3 6 盛兴旺， 张同飞 系杆拱桥吊杆千斤顶张拉力确定方法及其应 用 J 铁道科学与工程学报， 2 0 1 0 ， 7 ( 3 ) ： l 1 一l 5 7 虞建成 系杆拱桥吊杆初始张拉力及施工控制 J 东南大学 学报： 自然科学版 ， 1 9 9 8， 2 8 ( 3 ) ： 1 1 2一l 1 6 收稿日期 2 0 1 4 0 6 1 6 作者简介 楼旦丰( 1 9 9 0一) ， 女， 浙江浦江人， 硕士研究生。 研究方向： 桥梁计算理论。 m 叭 m 吡 泖 叭 叭 m m 眈眈毗 。 叭 m m Hj B ” = 兮 凹 舛 H m ：2 吣 。 吣 m 一 一 一 一 一 O O 加4 5， 删删 吣 3 n u 口2 1 州圳