钢管混凝土系杆拱桥吊杆施工张拉力计算.pdf

第 3 5卷 ， 第 2期 2 0 l 0 年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 5No 2 Ap r， 2 0 1 0 钢 管混凝土 系杆拱桥 吊杆施 工张拉力计算 尹 明 ( 湖南省高速公路管理局 ， 湖南 长沙4 1 0 0 0 1 ) 摘要】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。 关键词倒拆法 ； 影 响矩 阵；多遍张拉 ； 施工 张拉力 中图分类号U 4 4 8 2 2 5 文献标识码 B 文章编 号1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 1 0 1 0 3 Co mp u t a t i o n o f Te n s i o n i n g Fo r c e o f Ha n g e r s f o r Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b u l a r Ar c h Br i dg e YI N M i ng ( H u n a n E x p r e s s w a y A d m i n i s t r a t i o n B u r e a u ，C h a n g s h a ，H u n a n 4 1 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ke y w o r d s n e g a t i v e s e q u e n c e m e t h o d ； e f f e c t ma t r i x m e t h o d ；Mu l t i - s t e p t e n s i o n i n g ； c o n s t r u c t i o n t e n s i o n 钢管 混凝 土系杆 拱桥 主要 由拱肋 、 系梁 、 吊杆三 部 分组成 ， 主梁 弹性 支撑于 吊杆 上 ， 并 通过 吊杆传 递 给 主拱肋 ， 主拱肋 主要 承 压 ， 产 生 水平 推 力 ， 此 推 力 可通过系梁 内预应力平衡 ， 是一种 自平衡体系。由 于其三部分之间相互制约、 依存关系 ， 各部件在施工 过程 中相互 影 响 ， 因此 ， 在设 计 和施工 中须综 合各 因 素 ， 使 拱桥受 力达 到最佳 。系杆拱 桥设计 、 施 工过 程 中， 成 桥索力 的确 定 和 吊杆 施 工 张 拉力 计 算 是 最 主 要 的问题 。本 文通 过 理 论 分析 并 结 合 实 例说 明 ， 说 明了一种可行的吊杆施工张拉力的计算方法。 1 吊杆施工张拉力计算方法 吊杆力是系杆拱桥一个最重要的因素， 它直接 影响结构的内力分布， 决定系杆拱桥受力合理与否 ， 对 系杆拱 桥安 全性 、 适 用 性 、 可 靠 度 有很 大 的影 响 。 系 杆拱桥 根据结 构 形 式不 同施 工 方 法也 不 同 ， 一 般 可分 为先梁 后拱 法 和 先 拱 后 梁法 。在桥 梁 施 工 中 ， 吊杆 是分批 逐根 张拉 的 ， 期 间伴 随着结 构 的改变 、 系 梁支承体系的变化及内力的重分布。前期张拉的吊 杆柬力影响后期吊杆张拉 的束力 ， 而后期张拉 吊杆 亦对 前期施 工 的吊杆 的索力 有直 接的影 。如 果事先 没有对吊杆张拉方案及张拉控制力做好规划 ， 最终 将 导致 成桥 后 吊杆 力达 不 到 设 计 目标 ， 结 构 受 力 性 能不满足设计要求 ， 这就必须对吊杆力进一步调整 ， 这是十分繁琐 的事。因此 ， 根据施工阶段 吊杆张拉 顺序 ， 确定施工中吊杆的张拉控制力 ， 使每阶段吊杆 施 工张拉 完毕 后 ， 所有 吊杆均 达到设 计值 ， 且 吊杆不 必返回张拉调整 ， 这样可大量缩短施工时间和节省 施工 费用 。计算 系杆 拱 桥 吊杆 张拉 力 的 方法 较 多 ， 但是 各有 优缺 点 ， 常 用 的有 倒 拆 计算 法 、 迭代 法 、 影 响矩 阵法 等 。 1 1倒拆 计 算法 倒拆法假设 t =t 。 时刻结构 内力满足正装计算 t 。时刻的结果 ， 内力 、 线形满足设计要求 ， 在此初始 状态下 ， 按照正装 分析的逆过程 ， 对结构进行到拆， 分 析每 次拆 除一 个 施工 段 对 剩 余 结构 的影 响 ， 在 一 个阶段内分析得到的结构位移 、 内力状态便是该阶 段 结构 施 工 的理 想 状 态 。文 献 1 采 用 了倒 拆 计 算 ， 得到 了不错 的效果 。必 须注意 的是 ， 由于系杆拱 桥常采用预应力混凝土刚性系梁， 其主梁一般采用 预制 拼装 或现 浇 的施 工 方 法 ， 一 般是 在 支 架 上 现浇 主梁 ， 吊杆开始张拉时 ， 主梁支撑 于支架上 ， 当吊杆 张拉完成后张拉纵 向预应力 钢筋时 ， 主梁 已经脱离 支架 ， 这一 过程 中存在着边界条件的改变。 采用倒 收稿 日期 】2 0 1 0 0 2 0 6 作者简介】尹明( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 湖南邵 阳人 ， 硕士研 究生 ， 主要从事公路工程建设与管理。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 2 公路工程 3 5卷 拆法计 算时 须判断 主梁支 架情 况适 时更改边 界条件 才能保证其与现实情况相符， 得到正确结果。而且 这一点在 计算 软件 中较难 实现 。 1 2迭 代 法 如果不考虑索张拉后拱肋 和主梁的变形， 认为 索两端边 界 为完全 刚 性 ， 则施 加 的索力 就 等 于 吊杆 张拉后索 力 ， 可 以 以此 为迭 代 起 点 。实 际上 由于 吊 杆张拉 时拱肋 和主 梁 都有 变 形 ， 使 得 张拉 后 吊杆索 力小于 目标索力 。迭代法通过不断改变施加的张拉 力来达到 目标索力。设 目标索力矩阵为 P ， 吊杆 张拉 力为 7 t 。将 代 人计 算 模 型计 算 ， 可得 到 张拉完成后索力矩 阵 ， 此 时， 当前 索力矩 阵与 目标 索力 矩阵 差 值 为 = P 一 。判 断 差值矩阵 与差值 限值 关系 ， 如果 ， 未 达 到 收 敛 条 件 ， 将 T + = +卢 A T 作 为下 一次 吊杆 张拉力 。式 中为 了加 快 收敛 速度 ， 考虑 到索 的边界条 件 弱于完 全刚性 ， 可设 置一 个放 大系 数 3 ( 3 1 ) ， 迭代 至满 足收敛 条件为 止 。 迭代 法 简单 直 观 ， 可用 于 大跨 度 拱桥 几 何非 线 性情况 ， 可 以考 虑 混凝 土 拱 桥 的 收缩 徐变 问题 。而 且容易借助计算机实现 ， 比如可用 A N S Y S中 A P D L 编程和优化算法实现。迭代法有时耗费时间较多， 尤其是 涉及 到几何 非 线 性 和 收缩 徐 变 时 ， 收敛 速 度 不快 。 1 3影 响矩 阵法 对于小 变形 ， 线 弹 性结 构 ， 其 内力 、 位 移在 计 算 时符合 叠加 原理 。影 响矩 阵法 以各 吊杆施 工 张拉力 为基本未知量， 张拉完成后达 到 目标 索力为 目的。 根据 吊杆 张拉顺 序 ， 用有 限元 模 型分 别 计 算 出每 根 吊杆施加单位力时对其他 吊杆的影响系数 ， 建立各 吊杆 张拉 时影 响矩 阵 ， 通过 求 解 矩 阵获 得 吊杆施 工 时的张拉 力 ， 使得 吊杆 力达 到 目标 值 。如下式 ： AT=N 式 中 ： A为影 响矩 阵 ； N为 目标 吊杆力 矩 阵 ； T为所 求得张拉力控制值 ； A= 8 ， 8 第 次张拉对第次张拉 的吊杆的 影 响系数 。 影响矩阵法只能用来计算线性结构、 线性阶段。 对于吊杆张拉过程中来说 ， 从张拉开始到张拉结束 ， 可近似认为边界条件不发生变化， 因而此过程可以 用影响矩阵法来求解。 如果 吊杆 分多 遍 张拉 ， 则 须 每遍 张 拉均 需计 算 影响矩 阵 ， 这是 由于第 一遍 张拉 以后 吊杆 已经装上 ， 结构 已经发生 了变 化 ， 相应 影 响矩 阵也 会发 生改变 。 对 于 吊索结构 ， 在求影 响矩 阵时 ， 由于张 拉后 的吊索 处于有应力状态， 在计算某根 吊杆增加单位力对其 它 吊杆影响时 ， 可将其它吊杆作为桁架杆处理。 2 吊杆 刚度修正 在 建立 计 算模 型 时 ， 吊杆 的长度 为所 在 位 置 的 拱肋 中心线到 系梁 中 心线 的距 离 ， 但是 在 实 际结 构 中 ， 吊杆 长度 为两 端锚 固板 之 间 的距 离 。两者 有 一 定差 距 ， 尤 其是 吊杆较 短时 ， 相对差 距较 大 。此 时可 将吊杆抗拉刚度进行修正以使模型中吊杆与实际吊 杆在 受 到同样 的力时 伸长一致 。 ， E模 = E实际 实 际 3 工程实例 3 1工 程 简 介 某铁 路 钢管 混凝 土 提 篮拱 桥 ， 拱肋 采 用提 篮 式 钢管混凝土结构 ( 见图 1 ) ， 计算跨径为 9 2 0 m， 矢 高 1 8 4 m， 矢跨 比为 1 5 ， 吊杆 间距 6 m。两 片拱 肋 轴线 间距 ： 拱 脚 处 为 1 5 6 m， 拱顶 处 为 6 4 m。单 片拱 肋 向 内倾 角 为 1 4 0 3 6 。 。拱 肋 轴 线 和上 、 下 弦 钢管 轴线 在 竖 直 面 上 的投 影 是 三条 抛 物 线 。 拱肋 上 、 下弦 采用 l 0 0 0 X 2 0 m m 钢 管 各 1根 ， 其 中拱 脚段 采 用 q , 1 0 0 02 4 m m 钢 管 ， 腹 杆 采 用 q 5 0 0 1 2 m m钢 管 ， 在 跨 中采用 平 行 钢板 将 上下 弦钢 管 连 接 ， 两片拱肋 共设 3道横 撑 以加强横 向 刚度 ， 材料 均 为 Q 3 4 5钢。主梁采用现浇整体主梁 ， c 5 o混凝土， 箱肋式截面， 梁高 2 2 m， 标准截面顶宽 1 6 m， 底宽 1 7 2 m， 截面 A= 1 2 6 9 m 。吊索锚 固于 横梁 底 部 ， 顺桥 向每 隔 6 m设 一道 标准 横梁 ， 横梁 厚 0 5 m， 支 座 附近设 两道 1 2 m 厚端横 梁 。吊索 由低 松弛镀 锌 高 强钢丝 组成 ， 公称 面 积 为 4 1 9 7 m m ， 钢 丝标 准 强 度 R =1 6 7 0 MP a 。吊索间距 6 m， 每侧 1 4根， 全桥 2 8根 ， 锚 具 为冷铸锚 。 该桥施工方法采用先梁后拱的方式施工 ， 施工 步 骤为 ： 搭 设施 工支 架一 支 架 现 浇 主梁 一 张拉 纵 向 预应力筋一吊装施工拱肋 、 横撑一 张拉第二批纵 向 预应力筋一 钢管内压注混凝土一张拉吊杆( 分两遍 张拉到位 ) 一张拉剩余纵向预应力筋一拆除主梁现 浇支架一施工桥面铺装一全桥索力进行调整。 3 2 吊杆 施 工张拉 力计算 根 据设 计 资料 ， 桥 面铺 装 等二 期 恒载 施工 完 成 后 要求 目标索 力见表 1 。本桥 吊杆 张 拉方 案 为从 边 到 中依次 对称 张拉 ， 每次 同 时张拉 四根 吊杆 ， 即D S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 尹 明 ： 钢管混凝 土系杆拱桥 吊杆施工张拉力计算 l 0 3 图 1结构 示意 图( 单位： e m ) 一 DS 2 一DS 3 一 DS 4 一 DS 5 一DS 6 一DS 7 。 由于一 遍 张 拉达 到 目标 索力所 需 要 张 拉 吨位 较 大 ， 对 施 工设 备 要求较高， 而且会使拱肋产生较大应力和位移 ， 因此 本桥采 用两遍 张 拉 到位 。第 一 次 为 安 装 吊杆 ， 并进 行初张拉， 第二次张拉到设计索力。 吊杆在 张拉完 成后 ， 需要 张拉纵 向预 应力 钢筋 ， 并施工 桥 面铺 装 ， 最终达 到成 桥状态 。因此 ， 本文先 利用倒拆法 ， 由成桥状态进行倒拆计算至 吊杆张拉 一 0 21 6 0 1 01 11 6 0 3 0 7 6 1 完毕 ， 获得吊杆张拉完毕时各吊杆索力 ， 见表 1 。 表 1 设计 目标 索力表 k N 左 幅吊 张拉完 成桥 右幅吊 张拉完 成桥 杆 编号 毕后索力 后索力 杆 编号 毕后索力 后索力 DS l 1 5 6 4 DS 2 l 3 6 7 DS 3 l 2 7 3 DS 4 1 2 2 8 DS 5 l 21 2 DS 6 1 21 2 DS 7 l 21 1 l 8 2 2 1 7 0 5 l 7 3 4 l 7 3 9 l 7 5 0 l 7 4 5 1 7 5 5 DS 7 1 2 1 l DS 6 l 2l 2 DS 5 1 2l 2 DS 4 l 2 2 8 DS 3 l 2 7 3 DS 2 1 3 6 7 DS l 1 5 6 4 1 7 5 5 l 7 4 5 l 7 5 0 l 7 3 9 l 7 3 4 l 7 O 5 1 8 2 2 在进行 吊杆第一遍张拉 时， 结构体系 尚未完全 形成 ， 张拉 某根 吊杆 时 只 对 已安 装 好 的 吊杆 力 有 影 响 ， 此时 ， 索力影响矩阵为上三角矩阵。根据有限元 模型 ， 按照 吊杆 安装 步骤 ， 分别求 出 每根 吊杆张拉 时 对 已安 装 吊杆 的影 响 ， 求 得影 响 矩 阵 ， 见 图 2 。第 一 遍张拉按照表 1中第三列索力的 6 0 来控制 ， 用以 上影 响矩 阵法计 算得 到各 索张拉 控制 力见 表 2 。 进行第二遍张拉时 ， 由于各 吊索均已安装 ， 张拉 某根 吊杆 时， 会对其余 吊杆都产生影响， 此时， 影响 0 03 6 3 一 O 1 1 6 7 0 2 6 5 4 1 0 0 3 8 9 O O61 l O O O 9 0 1 3 6 2 1 图 2第一遍 张拉 时影响矩 阵 表 2第一遍张拉控制值 k N 0 0 9 9 1 O1 9 4 5 0 2 0 4 4 O1 28 1 一 O 1 5 6 6 1 0 1 0 2 4 0 2 0 5 3 0 2 41 8 0 2 1 9 3 0 0 5 3 6 0 42 2 2 l 矩阵为满秩矩阵 ， 用有限元模 型计算得影 响矩阵见 图 3 。第 二遍 张 拉 至表 1第 三列 所 述 索 力 ， 用影 响 矩阵计算得到各 吊杆张拉控制力见表 3 。在 吊杆张 拉完成后 ， 后续施工阶段也会对吊杆力产生影响， 后 期 桥面 铺装施 工后 吊杆 力见 表 3 ， 图 4 。 需要 注 意的是 ， 在 吊杆 张拉过 程 中 ， 主梁 支架会 逐渐失去作用 ， 转而 由吊杆承受 主梁 自重。这使影 响矩阵计算时产生误差 ， 此时可结合迭代法调试几 1 0 1 43 1 0 0 6 6 7 0 O1 7 6 0 0 2 8 9 0 0 5 9 0 0 1 0 2 4 0 0 9 1 5 l 一0 1 9 9 2 0 0 7 5 1 0 0 4 2 0 0 1 1 4 5 0 2 0 5 3 0 0 3 5 1 0。 l 6 3 8 l 一0 2 0 2 9 0 01 8 8 0 1 l 3 1 0 2 4 1 8 0 0 0 8 0 0 0 53 6 0 1 7 6 1 1 0 1 4 2 4 0 0 5 2 0 0 21 9 3 0 0 1 2 0 0 0 2 7 2 0 01 4 8 0 1 2 9 3 1 0 1 5 3 l 0 0 5 3 6 0 0 2 2 2 0 0 6 7 5 0 0 8l 1 0 0 4 2 9 0 1 3 9 2 1 0 4 2 2 2 0 0 2 5 4 0 0 7 9 8 0 1 1 4 3 0 1 1 9 4 0 0 3 2 1 0 2 7 8 3 1 图 3第二遍张拉时影响矩阵 ( 下转 第 1 1 3页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李军 ， 等 ： 桩身完整性类别 判定 的研究 l 1 3 该桩 某一声 测剖 面个 别 测 点 的 声 速 、 波 幅 略小 于 临 界值 ， 但波形基本 正常， 应判为 I I 类桩。但 凭个人 经验 ， 对该桩情况有所怀疑 ， 进行 了第二次测试 ， 结 果与第一次测 试基 本 相 同。因此 判断 该桩 在从 下 往 上 8 2 5 m处有一个 断面 ， 形成断 桩 ， 应为 I I I 或 I V类 桩 。在 随 后 的 处 理 中 将 该 桩 凿 除 ， 发 现 距 离 桩 底 8 2 m处有 一个离析层 ， 形成 断桩 ， 验证 了个人结论 。 分析其断桩的原因， 在施工过程中， 由于配料不 精确 ， 混凝土配合 比在过程中出现误差 ， 使坍落度波 动大 ， 拌出的混合料不均匀， 和易性较差。当坍落度 过 大 时会 产 生离析 现 象 ， 使 粗 骨 料相 互 挤 压 阻 塞导 管 ， 坍 落度过 小或灌 注 时间过 长 ， 使 混凝 土初凝 时 间 缩短 ， 加大混凝土下落阻力而阻塞导管 ， 造成断桩。 4 结 论 准确 地进 行桩 身完整性 的评 定不 能机 械地 套用 规 范 ， 应 根据 现场 检测数 据 以及施 工情 况 ， 同时综合 地质资料 、 成孔工艺 ， 浇注过程及设备情况分析基桩 施工 中可能出现问题 的原因， 从而对该基桩质量等 级作 出正 确 的评 价 。 由于 桩基 为 隐蔽 工程 ， 影 响工 程 质量 的原 因较为 复 杂 ， 在 施 工 中对 质 量 控 制 应注 重预 防为 主 ，即 在 施 工前 要 精 心组 织 ， 应 制定 详 细 的施工计划和施工方案 ， 并制定相应的防范措施 责 任 到人 ， 预防质 量事 故 的发生 。 参考 文献 1 李 国清 钻 孔灌 注桩 施 工及 质量 控 制 J 桥 梁 隧道 2 0 0 9 ， ( 7) 2 刘德贵 ， 姚勇， 王 宁 超 声波透视 法在桩 基检测 中的应用 J 路基工程 ， 2 0 0 9， ( 2 ) 3 桩基工程手册 编写委员会 桩基工程手册 M 北京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 1 9 9 5 f 4 J T G T F 8 1 0 1 2 0 0 4 公 路工程基桩动测技术规程 S Z 、 口 E 构体系以及边界条件的变化 ， 吊杆 张拉力计算较为 复杂。为了能在施工完成后 自动达到 目标索力而不 用返回张拉， 本文采用 了倒拆法和影响矩阵法相结 合 的方 法 ， 计算 出两遍 张 拉过程 中 吊杆施工 张拉 力 ， 能够保 证成 桥 主梁弯 矩 比较合理 ， 线 性符合 要求 ， 得 到 比较 理想 的效 果 。 参考 文献 虞 建成， 邵容光 ， 王小林 系杆 拱桥 吊杆 初始 张拉力及 施工控 制 J 东南大学学报 1 9 9 8 ( 3) ： 1 1 21 1 6 项 海 帆 高 等 桥 梁结 构 理论 M 北 京： 人 民交 通 出 版社 ， 2 0 01 于琦 ， 孟少平 系杆拱桥张拉控 制有限元模拟 方法研究 J 特种结构 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 8 8 9 1 彭宣茂 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 0 ( 1 2 ) ： 3 2 3 3 徐君兰 大跨度 桥梁施 工控制 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 肖汝城 ， 项海帆 斜拉桥索力优化及其工程应用 J 计 算力学 学报 1 9 9 8 ( 1 ) ： 1 1 81 2 6 j j 咖 。 8 猢。 。 咖 瑚 啪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m