铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆张拉顺序研究

摘要：介绍了铁路客运专线钢管混凝土系杆拱桥在施工过程中吊杆的受力状态。利用数值模拟的方法，对不同的吊杆张拉方案分别计算出在施工荷载及恒载作用下的拱肋受力，通过误差分析和施工状态预测对计算模型进行修正，以此来保证计算的准确性以及确保施工过程中结构的可靠度和安全性。通过对比计算分析后，提出吊杆张拉的合理顺序，对施工过程进行相应指导。

关键词：系杆拱桥；吊杆受力；张拉顺序

Study the Tension Order Railway Steel Tube Concrete Arc Bridge

Li Liuyu

(Steel Structure Engineering CO.LTD of CTCE group, Hefei 230022，China)

Abstract: This paper introduces the high-speed passenger railway steel tube concrete arc bridge in the construction process of the stress state. Using numerical simulation method, To different the tension scheme separately calculated in the construction of load and constant load of the arch rib under stress, Through the error analysis and construction state forecast for calculation model to fixed,In order to ensure the accuracy of the calculation and construction process to ensure the reliability of the structure and safety. By comparing the calculation analysis, Puts forward the reasonable order of tension, Construction process of corresponding guidance.

Keywords: bowstring arch bridge；The stress of boom；Tension order

中图分类号：TU375 文献标识码：A

工程概况

某新建铁路客运专线桥梁为双线系梁刚性拱桥，跨径L=95.7m，全长98m，系梁与拱肋固接，整个结构为内部超静定外部静定。拱轴线理论方程Z=0.8X-0.008333333X2，矢跨比为f/L=1:4.984375，矢高为19.2m，。拱肋采用外径100cm壁厚2cm的钢管混凝土截面，上下两拱肋中心距1.5m，采用厚16cm、间距96cm的腹板连接，腹板间灌注C5O微膨胀混凝土。拱肋间共设1组一字形横撑、4道K撑，一字撑采用外径1.0m的圆形钢管组成，斜撑采用外径0.8m的圆形钢管组成，钢管内不填充混凝土。吊杆采用平行布置，其间距均为5m，全桥共设17对吊杆，每点吊杆为1根121-φ7平行钢丝束组成，冷铸镦头锚固。系梁采用预应力单箱三室箱形截面，梁顶宽17.5m，底宽14.9m，跨中梁高2.50m，端部梁高3.05m，顶板、底板厚0.35m，边腹板厚为0.90m，中腹板厚为0.40m，端横隔厚3.25m，梁端设进人孔，底板设泄水孔，边腹板和中腹板每箱室设两个通气孔。系梁两端设球型钢支座与桥墩相连，一端固定一端滑动。桥梁总体布置如图1所示。

图1 桥梁总体布置图

计算模型与模拟分析方法

2.1 计算模型

考虑到本桥是上部结构外部静定、内部超静定。因此在进行有限元计算时，本文只考虑上部结构。该桥的系梁、拱肋、一字横撑、K撑采用梁单元模拟，吊杆用桁架单元进行模拟，系梁端部采用变截面梁单元进行模拟。该计算模型节点总数为324个，梁单元为255个，桁架单元为34个。全桥范围内的横隔板以体中力的形式加载到节点上，桥面铺装与防撞栏杆则以均布荷载的形式作用在系梁上。模拟拱肋截面要通过四次浇筑形成（首先架设空钢管，然后灌注下弦管混凝土，再灌注上弦管混凝土，最后灌注腹腔混凝土）。Midas-civil程序一般通过以下三个步骤实现对混凝土混凝土收缩徐变分析：

首先通过时间依存材料来定义徐变系数；然后再通过时间依存性材料连接把徐变系数赋予材料；最后通过程序自动计算计算构件理论厚度来修改单元材料时间依存特性，程序将自动。对钢与混凝土生成的单元模拟计算可以通过采用软件Midas-civil施工阶段联合截面技术，使得截面各部分按照设计顺序生效，来模拟钢管混凝土截面特性变化。计算模型如图2所示。

图2 钢管混凝土拱桥空间计算模型

2.2 模拟分析方法

无应力状态分析，是以拱桥的各构件的曲率不变和无应力长度为前提，将拱桥成桥状态和施工过程中各个施工阶段的状态都联系一起。这种方法尤其适用拱桥的施工过程控制。由于空钢管拱在工厂加工成型，再运到现场安装。在工厂加工时，空钢管拱肋就处于无应力状态。在现场安装时，空钢管拱肋的长度很难调整，只能进行局部微调。因而确定空钢管拱肋加工长度是拱桥施工监控的关键。

钢管混凝土拱桥的施工工序复杂，拱肋刚度的形成要逐步经历几个施工阶段，同样，拱桥从开始修建到最终成桥状态，期间结构体系及荷载都随着施工阶段不断变要发生改变。比如为了模拟拱肋灌注过程，采用上述拱肋刚度计算的无应力状态法，并运用软件Midas-civil施工阶段联合截面技术来实现施工过程的仿真分析。

施工阶段吊杆的内力变化分析

以通过采通过施工过程模拟计算，得到拱肋在施工阶段控制截面处应力随着施工过程而变化曲线，见图4～图5。

全桥典型截面的选取图3所示。

图3 选取全桥的典型代表性截面

从施工阶段开始进行吊杆安装、张拉、二期铺装、收缩徐变效应作用过程中，各个施工阶段的吊杆均发生变化如图表1所示。

就对吊杆力而言，由于该拱桥结构形式为外部静定，内部超静定，因而在吊杆安装张拉阶段，每个吊杆内力都会随着施工阶段的改变而变化，而且变化幅度非常大。这就说明了吊杆力的灵敏度很高，因此，在吊杆安装张拉过程中需要对其进行施工监控。由于吊杆力是一次性张拉到设计值，因而导致部分吊杆力导致急剧变小，至减少到一半。此外，在二期铺装作用下，吊杆内力都普遍急剧增加。

从最后一个施工阶段来看，钢管混凝土的收缩徐变效应作用对吊杆内力影响明显，引起吊杆力重新分配。从每根吊杆力在各阶段最大应力来看，最大应力为284.4pa，出现在最后施工阶段的第9根吊杆，安全系数为6.0，吊杆力符合要求。

表1吊杆内力变化表

拱肋控制关键截面的应力变化曲线图（图4、图5），分析拱肋应力的结论：

管内核心混凝土上缘压力最大拉应力为7.8MPa（安装并张拉吊杆D3和D3—拱脚附近）；最大压应力为5.9 MPa（二期铺装—1/2L）; 管内核心混凝土下缘压力最大拉应力为3.3MPa（安装并张拉吊杆D4和D4—1/4L）；最大压应力为6.3 MPa（二期铺装—拱脚附近）。关键控制截面的最大应力值没有超过极限强度，拱肋的最大应力都发生在拱肋端部附近。

收缩徐变效应作用对拱肋截面应力的影响都非常明显。收缩徐变效应作用引起管内混凝土应力重分布。

由于在搭设支架上浇筑拱肋混凝土，且随着钢管内逐步灌入混凝土体积增大，

拱肋形成刚度也逐渐增大，并由前一个施工阶段灌注形成的拱肋来承担本施工阶段所增加的荷载，综合考虑，拱肋应力幅变化很小。

图4拱肋上缘应力 图5拱肋下缘应力

吊杆的不同张拉顺序对拱肋应力的影响

由于简支系杆拱桥是对称结构，本文选取全桥的典型代表性截面进行分析。

应力—拱肋都选取其的端部附近、1/8L、1/4L、3/8L、1/2L截面；系梁选取其的

端部附近、1/4L、1/2L截面。

吊杆力。

该桥设计吊杆张拉顺序为方案1，为了优化拱肋受力，防止拱脚开裂，因而优化吊杆的张拉顺序。推荐吊杆的张顺序方案2如表2所示。以方案2的顺序对吊杆进行分阶段安装张拉，得到对应每个施工阶段拱肋控制关键截面的应力如表3所示。

通过施工仿真分析计算，分别得出对应方案1和方案2的拱肋每个施工阶段的关键控制截面处应力。如表2和表3所示。

表2 吊杆的张拉顺序

表3 拱肋控制截面应力表(单位：MPa)

方案1和方案2进行比较，分别得出拱脚附近、1/4L、1/2L处管内混凝土应力，随着施工过程而变化曲线。如图6 ～图7。

图6 在拱脚附近处管内混凝土应力的变化曲线

图7 1/4L处管内混凝土应力的变化曲线

方案1和方案2相比较，方案1的张拉顺序，引起拱脚和1/2L处管内核心混凝土上缘应力较大，导致拱脚容易开裂，而方案2的应力曲线均匀平缓，因此采用方案2张拉顺序比较合理。

结论

通过对钢管混凝土系杆拱桥施工过程中吊杆受力的分析，提出了优化后的吊杆张拉顺序，既按D5、D1、D3、D9…顺序张拉时吊杆受力较均匀。本文对钢管混凝土系杆拱桥拉杆受力的优化分析，为今后的施工积累了一定经验，也为其他施工工作者提供参考。

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