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系杆拱桥吊杆索力调整

娄锋
（贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州，贵阳 550001）
摘 要：贵州省剑河县清水江大桥（55m+74m+55m三跨钢筋砼系杆拱桥）属刚性系杆刚性拱，通过调整吊杆的索力总能使成桥状态下拱肋、主梁等主要受力构件的受力、位移状态更为合理。本文将以清水江大桥主跨为背景，采用MIDAS/CIVIL独具的未知荷载系数法，研究系杆拱桥的吊杆索力优化方法。
关键词：刚性系杆刚性拱；吊杆索力优化；未知荷载系数法
中图分类号： 文献标识码：

1基本概况
清水尖大桥主跨为74m系杆拱桥，拱圈采用工字型截面的钢筋混凝土结构，拱轴线为二次抛物线，L0=70.0m，F0=14.0m，F0/L0=1/5。拱肋截面高为200cm，宽度为120m，吊杆横桥向间距为1330cm，全桥均为单吊杆；系梁为预应力混凝土构件，跨中截面高为170cm，端部截面高为200cm。其结构型式见下图：

图 1 主跨桥型布置图
2有限元模型[[]王明明.大跨度中承式钢箱混凝土系杆拱桥受力特性分析与研究[D].西南交通大学硕士学位论文,2011.5
]
采用有限元软件MIDAS/CIVIL进行计算，拱肋、横梁、系梁及风撑均采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元进行模拟。拱肋及系梁固结，桥梁结构外部为静定结构，故其外部约束采用简支。

图 2有限元模型
为便于描述，按照实际张拉顺序，从两边到中间依次对吊杆进行编号为吊杆1～吊杆7。
本桥施工工序如下表所示：
表 1施工方案
施工阶段号
施工阶段描述
CS1
满堂支架法施工系杆、拱肋、横梁、风撑
CS2
安装并张拉吊杆1
CS3
安装并张拉吊杆2
CS4
安装并张拉吊杆3
CS5
安装并张拉吊杆4
CS6
安装并张拉吊杆5
CS7
安装并张拉吊杆6
CS8
安装并张拉吊杆7
CS9
施工桥面铺装即二期恒载
3成桥阶段最优索力确定[[]肖汝诚,项海帆.斜拉桥索力优化的影响矩阵法[J].同济大学学报,1998.6
][[]肖汝诚,项海帆.斜拉桥索力优化及其工程应用[J].计算力学学报,1998.2
]
为确定本桥成桥阶段最优索力，采用成桥阶段模型进行计算，为此，本次未知荷载系数调整法设定如下三个约束条件[[]曾革助.钢筋混凝土异型系杆拱桥合理成桥状态与合理施工状态研究[D].长沙理工大学硕士论文,2004.5.5
][[] 郑一峰,黄侨,孙永明.部分斜拉桥合理成桥状态的研究[J].公路交通科技,2006.11
]：
1、各吊杆成桥索力分布均匀（索力值相差150KN以内）；
2、恒载作用下，系梁挠度较小（最大竖向位移值Dz≤10mm）；
3、恒载作用下，系梁弯矩值较小（最大弯矩值Mmax≤2×103KN·m）。
各吊杆张拉力均采用1000KN，作为初始张拉力，并将各吊杆初始张拉力单独作为一个工况。本次索力优化仅考虑恒荷载，采用的荷载工况组合为：CB1=1.0×恒荷载+1.0×1#索力+1.0×2#索力+1.0×3#索力+1.0×4#索力+1.0×5#索力+1.0×6#索力+1.0×7#索力。
由此，采用未知荷载系数法，计算出的满足上述三个约束条件的荷载工况组合为：CB2=1.0×恒荷载+1.432×1#索力+0.945×2#索力+0.888×3#索力+0.826×4#索力+0.781×5#索力+0.748×6#索力+0.749×7#索力。
经微调，采用工况CB3=1.0×恒荷载+1.31×1#索力0.89×2#索力+0.92×3#索力+0.85×4#索力+0.77×5#索力+0.75×6#索力+0.75×7#索力。
即，1#索力1310KN，2#索力890KN，3#索力920KN，4#索力850KN，5#索力770KN，6#索力750KN，7#索力750KN。
在此工况作用下，系梁位移最大值为9.2mm；吊杆内力最大值949.1KN，最小值826.8KN；系梁最大负弯矩1212.2KN·m，最大正弯矩1053KN·m。均满足上述三个约束条件。
4施工阶段最优索力确定
上一节中已确定了成桥阶段各吊杆的最优索力，本节采取倒拆分析的方法获取各施工阶段结束后需要给吊杆张拉的体外力值，倒拆分析流程见下表：
表 2 倒拆分析流程
阶段号
施工阶段描述
CS1
满堂支架法施工系杆、拱肋、横梁、风撑，安装并张拉吊杆1~7，施工桥面铺装（得吊杆7张拉力）
CS2
拆除吊杆7（得吊杆6张拉力）
CS3
拆除吊杆6（得吊杆5张拉力）
CS4
拆除吊杆5（得吊杆4张拉力）
CS5
拆除吊杆4（得吊杆3张拉力）
CS6
拆除吊杆3（得吊杆2张拉力）
CS7
拆除吊杆2（得吊杆1张拉力）
如上表，将工况CB3=1.0×恒荷载+1.31×1#索力+0.89×2#索力+0.92×3#索力+0.85×4#索力+0.77×5#索力+0.75×6#索力+0.75×7#索力，作为阶段CS1的外荷载，其中各索力均以体内力的方式加到各吊杆作为其初始张拉力。
据上表所述倒拆方案，依次得吊杆1～吊杆7的张拉力，即最优吊杆张拉力。汇总如下：
表 3 最优吊杆索力汇总
吊杆编号
初始张拉力（KN）
吊杆1
1173.5
吊杆2
1045.9
吊杆3
1088.5
吊杆4
1088.5
吊杆5
1112.8
吊杆6
1092.8
吊杆7
892.9
5最优吊杆张拉力验证
现以上节所述吊杆索力作为其初始张拉力，进行施工阶段正装分析，荷载工况采用CS4：1.0恒荷载（包含混凝土收缩、徐变）+1.0×1#吊杆索力+1.0×2#吊杆索力1.0×3#吊杆索力+1.0×4#吊杆索力+1.0×5#吊杆索力+1.0×6#吊杆索力+1.0×7#吊杆索力。其中各吊杆索力值见表 3。施工阶段见表 1所示，在CS9阶段，系梁最大挠度15mm；系梁弯矩最大值1318.2 KN·m；吊杆索力最大值1046.9KN，最小值808.2KN。由此，经过索力优化后，系梁挠度值较小，吊杆索力分布较为均匀，系梁弯矩较小。
6结论
本文以贵州省剑河县清水江大桥（55m+74m+55m三跨钢筋砼系杆拱桥）主跨为工程背景，采用MIDAS/CIVIL的未知荷载系数法对其吊杆索力进行优化调整：
1、以吊杆索力均匀，系梁挠度较小及系梁弯矩较小等三个约束条件求得一组最优成桥索力；
2、以此索力作为各吊杆初始索力进行倒拆分析求得各吊杆最优张拉力；
3、以此张拉力进行施工阶段正装分析，发现满足上述三个约束条件。
即各主要受力构件均获得较为理想的受力及位移状态。由此可知，本文所采用的MIDAS/CIVIL的未知荷载系数法是可行的。
参考文献