吊桿張拉程序?qū)ν鈨A單肋鋼拱橋拱肋內(nèi)力影響分析

汪一意，陳建兵，俞志豪

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011)

WANG Yiyi，CHEN Jianbing，YU Zhihao

(School of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

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吊桿張拉程序?qū)ν鈨A單肋鋼拱橋拱肋內(nèi)力影響分析

汪一意，陳建兵，俞志豪

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011)

以某外傾單肋異形鋼拱橋為研究對象，采用有限元計算程序Midas/Civil建立空間有限元模型，對吊桿的張拉順序、張拉次數(shù)對拱肋內(nèi)力及拱肋吊點位移的影響進行了對比分析計算。考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力均衡與安全，兼顧施工方便性和經(jīng)濟性，得到了較為合理的張拉方案Ⅲ：交替對稱一次張拉至最終吊桿力的張拉程序。

外傾單肋；鋼拱橋；吊桿；張拉順序；有限元分析

WANG Yiyi，CHEN Jianbing，YU Zhihao

(School of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

橋梁除了滿足結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟適用外，橋梁藝術及美學也逐漸引起了人們的重視，一大批結(jié)構(gòu)形式新穎、造型別致的橋相繼建成[1]。外傾單肋式拱橋是區(qū)別于傳統(tǒng)形式拱橋的新型拱橋[2]，該橋的受力性能比較復雜，其拱肋的受力受施工因素影響較大，不同的吊桿張拉順序會對拱橋結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不同的影響，有時會成為控制結(jié)構(gòu)受力的關鍵因素[3-4]。目前，國內(nèi)外專家學者對雙肋外傾式拱橋的整體受力及鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析進行了大量研究，但鮮見對施工過程中單拱肋的內(nèi)力受不同吊桿張拉順序影響的研究。本文結(jié)合某外傾單肋異形鋼拱橋，根據(jù)各施工階段情況提出了不同的吊桿張拉順序，計算分析了不同的吊桿張拉順序及次數(shù)對其拱肋內(nèi)力的影響，得出了合理的吊桿張拉方案，為此類橋梁施工提供參考。

1　工程概況

本橋為三跨異形鋼拱橋，全長131.93 m，跨徑布置為12.5 m+105 m+12.5 m，橋?qū)? m，中跨為105 m下承式異形鋼拱橋，主梁為鋼結(jié)構(gòu)曲線箱梁；主跨和邊跨道路平面均位于曲線范圍，曲線半徑分別為108 m和29.1 m；橋梁以跨中為對稱中心，采用雙向人字坡2.3%和-2.3%，豎曲線半徑為434.7 m；橋梁立面及橫斷面圖如圖1、圖2所示。拱肋向外傾斜15°，拱軸線在其自身傾斜面內(nèi)為二次拋物線，矢高為26.25 m，矢跨比為1/4，拱肋截面采用矩形，全拱為變截面，截面寬度由拱腳的3.5 m變至拱頂?shù)?.0 m，截面高度由拱腳的2.0 m變至拱頂?shù)?.5 m。拱腳標準斷面如圖3所示，其中由拱腳向跨中方向6 m肋中灌注C40微膨脹混凝土。吊桿采用1860級環(huán)氧噴涂鋼絞線，直徑65 mm，水平布置間距為4.5 m，全橋合計19根吊桿。拱肋與主梁之間為剛性連接，如圖4所示。全橋鋼材均采用Q345鋼。

圖1　橋梁立面圖(單位:mm)

圖2　橋梁橫斷面圖(單位:cm)

圖3　拱腳標準斷面(單位:mm)

(a)外側(cè)　　　　　　　　　　(b)內(nèi)側(cè)圖4　拱肋與主梁連接段

2　結(jié)構(gòu)分析計算模型

為分析不同吊桿張拉順序?qū)袄邇?nèi)力的影響，采用有限元軟件Midas/Civil 2013建立三維模型，如圖5所示。全橋共劃分364個節(jié)點，383個單元，拱肋、主梁以及拱肋與主梁連接段均采用梁單元模擬，灌注段混凝土采用與拱肋共節(jié)點重疊梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。本橋采用支架施工，支架采用只受壓彈簧模擬，邊界條件均采用一般支承，拱腳完全固結(jié)，主梁只有豎向約束。

圖5　橋梁有限元模型

3　吊桿張拉方案

本橋為多次超靜定結(jié)構(gòu)，按照不同的次序，張拉吊桿相當于給結(jié)構(gòu)施加了不同的荷載，此施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是不同的[5]，因此需要選擇相對安全穩(wěn)定的張拉順序。拱橋吊桿張拉施工中，采用對稱張拉可以保證結(jié)構(gòu)對稱受力，且受力清晰，容易控制。交替張拉，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均衡，但張拉設備需往復移動，操作復雜。本文提出6種張拉方案，并進行對比分析[6-7]：

工況Ⅰ，吊桿由拱腳向拱頂依次對稱張拉：DS10→DS9……DS2→DS1。

工況Ⅱ，吊桿由拱頂向拱腳依次對稱張拉：DS1→DS2……DS9→DS10。

工況Ⅲ，吊桿交替對稱張拉：DS4→DS8→DS1→DS6→DS3→DS5→DS9→DS7→DS2→DS10。

常用的吊桿張拉次數(shù)有一次張拉法、初張拉和調(diào)整張拉的兩次張拉法以及多次調(diào)整張拉法。一次張拉法可以達到簡化張拉工序和縮短工期的目的，但有可能在張拉過程中導致結(jié)構(gòu)某些部位受力不合理。以上3種工況采用一次張拉法，分10個批次，一次張拉力如表1。兩次張拉法張拉順序同一次張拉法，對應的工況名稱依次定為Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。初張拉力為表1中設計索力的50%，然后調(diào)整張拉至設計索力[8]，分20個批次。

表1吊桿設計索力 kN

吊桿號設計索力吊桿號設計索力DS1205DS6176DS2200DS7189DS3189DS8198DS4199DS9192DS5179DS10211

4　吊桿張拉過程受力分析

限于文章篇幅以及為方便數(shù)據(jù)處理，以不同截面命名圖表，將不同工況下同一截面的受力置于同一圖表中，可直觀比較不同工況下主控截面的內(nèi)力。

4.1一次張拉法

經(jīng)分析計算，拱肋在一次張拉法Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工況下各主控截面應力值如圖6～8所示(圖表中應力均為累計應力，受拉為正，受壓為負，下同)。

從圖6～8中可以看出，拱肋各主控截面上下緣應力線形呈對稱性，拱肋受力合理。不同工況下除1/2截面上緣受壓下緣受拉外，其他主控截面均是上緣受拉下緣受壓。在施工過程中各主控截面應力均在鋼材強度設計值之內(nèi)，故對最終拱肋內(nèi)力進行比較分析：

第三，信息來源。在保健食品信息尋求方面，有研究指出，標簽說明、專業(yè)人士(包括醫(yī)生和營養(yǎng)師)，以及親朋好友被認為是營養(yǎng)和健康信息的可靠來源，雖然廣告媒體也是信息傳播的主要載體，但是它們也是民眾最不信任的來源[28]。當前的研究頻頻報道健康專業(yè)人員的影響力會增加保健食物的消費，這表明衛(wèi)生專業(yè)人員的建議有可能影響老年人的保健食物消費，是可靠和值得信賴的保健食品來源[29]。由于健康信息可以影響消費者對保健食品的接受程度，信息來源的可信度對老年消費者客觀理性的理解保健食品并接受它就顯得尤為重要。

(a)上緣

(b)下緣圖6　拱腳截面上下緣應力

(a)上緣

圖8　跨中截面上下緣應力

圖6中拱腳截面在工況Ⅱ中上(下)緣應力最大，為139.7 MPa(-174.7 MPa)；工況Ⅲ中上(下)緣應力次之，為139.3 MPa(-174.3 MPa)；工況Ⅰ中上(下)緣應力最小，為138.6 MPa(-173.7 MPa)。

圖7(a)中1/4截面上緣應力在工況Ⅱ中最大，工況Ⅲ中次之，工況Ⅰ中最小，依次為27.4 MPa、27.2 MPa、26.6 MPa；圖7(b)中1/4截面下緣應力在工況Ⅰ中最大，工況Ⅲ中次之，工況Ⅱ中最小，依次為-33.7 MPa、-33.0 MPa、-32.5 MPa。

圖8中1/2截面在工況Ⅰ中上(下)緣應力最大，為-26.5 MPa(19.9 MPa)；工況Ⅲ中上(下)緣應力次之，為-12.2 MPa(7.0 MPa)；工況Ⅱ中上(下)緣應力最小，為-6.4 MPa(2.1 MPa)。

綜上比較，工況Ⅰ中拱腳截面應力最小，1/2截面應力大；工況Ⅱ中1/2截面應力最小，拱腳截面應力最大；工況Ⅲ中各截面應力居中。故，按工況Ⅲ順序張拉吊桿可使拱肋受力較為均勻，方案較為合理。

4.2兩次張拉法

拱肋在兩次張拉法Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ工況下拱肋主控截面應力值如圖9～11所示。

(a)上緣

(b)下緣圖9　拱腳截面上下緣應力

(a)上緣

(b)下緣圖10　1/4截面上下緣應力

圖11　跨中截面上下緣應力

由圖9～11可見，拱肋各主控截面均未超過鋼材強度設計值,初張拉時各主控截面內(nèi)力除應力值不同，走勢與一次張拉法截面應力走勢一致。調(diào)整張拉階段拱腳截面應力有小幅波動，但最終仍呈減小趨勢。調(diào)整張拉完成后，各截面上下緣受力類型與一次張拉法下受力類型相同。

圖9中拱腳截面在工況Ⅴ中上(下)緣應力最大，為139.8 MPa(-174.8 MPa)；工況Ⅵ中上(下)緣應力次之，為139.5 MPa(-174.6 MPa)；工況Ⅳ中上(下)緣應力最小，為139.2 MPa(-174.3 MPa)。

圖10(a)中1/4截面上緣應力在工況Ⅴ中最大，工況Ⅵ中次之，工況Ⅳ中最小，依次為28.65 MPa、28.6 MPa、28.37 MPa；圖10(b)中1/4截面下緣應力在工況Ⅳ中最大，工況Ⅵ中次之，工況Ⅴ中最小，依次為-34.05 MPa、-33.6 MPa、-32.2 MPa。

綜上比較，與一次張拉法結(jié)果一致，工況Ⅵ中拱腳截面應力最小，1/2截面應力大；工況Ⅴ中1/2截面應力最小，拱腳截面應力最大；工況Ⅵ中各截面應力居中。故，工況Ⅵ張拉方案用于施工是較為合理的。

5?、?、Ⅵ吊桿張拉方案比較

由以上分析得工況Ⅲ和Ⅵ的張拉順序分別為一次張拉法和兩次張拉法中較為優(yōu)越的張拉方案。現(xiàn)以內(nèi)力與位移為分析對象，進一步比較兩方案的優(yōu)越性。

5.1工況Ⅲ、Ⅵ截面應力

表2中列出Ⅲ和Ⅵ兩工況下拱肋各主控截面的應力，以對比工況Ⅲ與工況Ⅵ的優(yōu)劣。

表2Ⅲ、Ⅵ工況主控截面應力 MPa

工況支點1/4截面跨中截面ⅢⅥ上緣139.327.2-12.2下緣-174.3-33.07.0上緣139.528.6-8.2下緣-174.6-33.63.95

由表2可知，Ⅲ工況下支點截面上(下)緣應力為139.3 MPa(-174.3 MPa)，與Ⅵ工況下拱肋支點截面上下緣應力差值為-0.2 MPa(0.3 MPa)，Ⅲ、Ⅵ工況中1/4截面上下緣應力差值為-1.4 MPa(0.6 MPa)，1/2截面上下緣應力差值為4.0 MPa(-3.05 MPa)。由此可見，工況Ⅵ下支點截面與1/4截面最終應力較工況Ⅲ稍大，跨中截面應力較小，綜上再考慮施工安全穩(wěn)定及施工方便性與經(jīng)濟性，選用一次張拉法的工況Ⅲ更為合理。

5.2拱肋與吊桿連接處節(jié)點位移分析

橋梁線形控制是確保橋梁施工宏觀質(zhì)量控制的主控及橋梁建設的安全保證[9]，表3列出工況Ⅲ與工況Ⅵ下拱肋與吊桿連接處的節(jié)點位移。

表3吊桿與拱肋連接處節(jié)點位移值 mm

吊桿號工況Ⅲ位移工況Ⅵ位移差值DS10-1.4-2.51.1DS9-0.1-2.22.1DS8-127.5-128.61.1DS7-103.3-104.51.2DS6-79.8-80.91.1DS5-57.8-58.60.8DS4-50.9-51.50.6DS3-29.9-31.11.2DS2-13.5-13.70.2DS1-3.2-3.40.2

由表3可以看出，不同工況下拱腳吊桿附近與跨中附近位移較小，其他位置位移較大；對比Ⅲ、Ⅵ工況下拱肋吊桿節(jié)點處位移可知，Ⅵ工況下位移較Ⅲ工況下位移較小，且DS1處位移差值最小，為0.2 mm，DS9處位移差值最大，為2.1 mm?？梢?，工況Ⅵ下拱肋位移比工況Ⅲ下拱肋位移大，因此，按工況Ⅲ順序張拉吊桿更為合理。

6　結(jié)論

本文針對某異形鋼拱橋吊桿張拉施工提出了6種吊桿張拉方案，采用Midas/Civil 2013軟件建模進行仿真計算，對不同張拉方案下拱肋內(nèi)力變化及最終變形進行了分析，得出：

1)對本類輕型鋼拱橋而言，不同吊桿張拉順序會對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定的影響，但不會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的局部應力。

2)兩次張拉法張拉吊桿過程中調(diào)整張拉對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響與初張拉的影響基本一致，交替對稱張拉可使拱肋受力更為均衡，兩次張拉與一次張拉對結(jié)構(gòu)的最終應力影響相差較小。

3)在施工過程中沒有出現(xiàn)局部應力超過材料強度設計值，選用最終結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形較小的施工方案：交替對稱一次張拉至最終索力的工況Ⅲ張拉順序。

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責任編輯：唐海燕

Influence of Sequences of Suspender Tensions Upon Inner Force of Arch Rib of Steel Arch Bridge with Single Extraversive Rib

A finite element model was established by using Midas/Civil to study special-shaped steel arch bridge with single extraversive rib and to analyze the influence of tension order and number of tensions upon the inner force and displacement of the hoisting point.Considering internal force balance,safety,convenience and economy,a reasonable tensioning scheme was proposed that suspenders be tensioned alternately and symmetrically to final tensile force in one time.

single extraversive rib;steel arch bridge;hanger;tension sequence;finite element analysis

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.002

2016- 03-14

汪一意(1992—)，男，碩士研究生。

U442.5；U448.22

A

1671- 0436(2016)04- 0007- 05