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    剛性系桿拱橋吊桿張拉索力施工控制研究

    2020-12-11 10:36:22郭鑫顏東煌袁晟袁明
    中外公路 2020年5期
    關(guān)鍵詞:慣性矩系桿成橋

    郭鑫, 顏東煌, 袁晟, 袁明

    (長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

    1 引言

    系桿拱橋由于其結(jié)構(gòu)輕盈、線(xiàn)形美觀(guān)、建筑高度小、跨越能力大,在中國(guó)東部公路橋梁建設(shè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。系桿、拱肋是主要承重構(gòu)件,而吊桿索力的大小直接影響全橋的內(nèi)力分布及工作狀態(tài);剛性系桿拱橋施工中,吊桿力的調(diào)整非常重要,張拉過(guò)程中每根桿件的張拉都會(huì)伴隨著拱肋及系桿的變形及其內(nèi)力重分布,而后期吊桿的張拉力又會(huì)對(duì)先期施工的吊桿力產(chǎn)生影響,使得拱橋在吊桿張拉完畢后達(dá)不到預(yù)期的理想狀態(tài),因此吊桿張拉次序及張拉力的控制是系桿拱橋施工過(guò)程監(jiān)控的重要內(nèi)容之一。

    目前系桿拱橋吊桿索力問(wèn)題采用與斜拉橋索力問(wèn)題相似的計(jì)算方法,如差值迭代法、正裝迭代法等,只要迭代次數(shù)夠多,采用何種方法均能取得較好的結(jié)果。祁強(qiáng)等通過(guò)對(duì)系桿拱橋吊桿張拉過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究,并建立有限元仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)有限元模型能夠比較合理地模擬系桿拱橋的施工過(guò)程。盡管如此,實(shí)際工程中,成橋索力與目標(biāo)索力相比仍存在較大偏差的情況,究其原因,主要是理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差異,同時(shí)吊桿張拉時(shí)施工精度難以控制。王弘等指出:在對(duì)系桿拱橋吊桿進(jìn)行千斤頂張拉時(shí),必須輔以頻率法對(duì)吊桿索力進(jìn)行監(jiān)測(cè),而頻率法測(cè)吊桿索力的精度受邊界條件及計(jì)算長(zhǎng)度等的影響,因此準(zhǔn)確計(jì)算施工過(guò)程中吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)吊桿張拉索力控制具有積極意義。

    該文結(jié)合理論分析及橋梁的實(shí)際情況,以確定合理的吊桿張拉順序,并在確定的施工順序后,對(duì)可能影響吊桿成橋索力的拱肋抗彎慣性矩、系桿抗彎慣性矩、材料重度、彈性模量等設(shè)計(jì)參數(shù)及橋上施工荷載情況和張拉端鎖緊螺母和油泵回油時(shí)拉力損失的影響進(jìn)行敏感性分析;基于此,進(jìn)一步提出剛性系桿拱橋吊桿張拉施工控制的流程,并完成對(duì)某剛性系桿鋼拱橋進(jìn)行吊桿張拉過(guò)程的施工控制,以使成橋吊桿索力與目標(biāo)索力偏差較小,滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

    2 工程概況

    某剛性系桿拱橋計(jì)算跨徑為75 m,吊桿為常用的蘭格爾體系,采用先梁后拱,支架上焊接拼裝施工方案。鋼主梁截面采用雙主梁斷面,單幅主梁為扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu),縱向設(shè)3道腹板和1道外封板。系梁設(shè)置在橋面中央且為鏤空結(jié)構(gòu),張拉系桿平衡拱腳推力。鋼主梁頂寬31.4 m,底寬19.9 m,截面中心高度2 m。主拱計(jì)算跨徑75 m,主拱垂直,立面矢高18.5 m,主拱矢跨比f(wàn)/L=1/4.054,拱軸線(xiàn)為二次拋物線(xiàn)。吊桿順橋向間距3.0 m,每個(gè)吊點(diǎn)橫橋向?yàn)殡p吊桿,全橋共42根吊桿。每根吊桿由55φ7 mm高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絲組成,標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。吊桿索拱端錨頭為冷鑄錨,梁端連接穿銷(xiāo)式鉸板,拱端為張拉端,采用球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)動(dòng)。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及立面、斷面布置圖如表1及圖1~3所示。

    表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

    圖1 系桿拱橋立面布置圖(單位:cm)

    圖2 系梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖(單位:mm)

    圖3 拱肋標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖(單位:mm)

    3 張拉順序的選擇

    合理的施工順序能有效地保證吊桿張拉過(guò)程的安全,減少調(diào)索次數(shù),加快施工進(jìn)度,節(jié)約施工成本。理論上無(wú)論采用何種張拉順序,均能使成橋索力與目標(biāo)索力一致,但該橋吊桿張拉在鋼箱拱內(nèi),張拉設(shè)備笨重,工人帶著在鋼箱拱里面行動(dòng)非常困難,同時(shí),由于吊桿安裝及張拉施工單位僅能提供4臺(tái)千斤頂同時(shí)張拉,不能一步張拉到位,因此,需要采用合理的吊桿張拉順序,減少千斤頂?shù)呐矂?dòng)次數(shù)及吊桿索力的調(diào)整次數(shù),由于該橋?yàn)殇撓涔皹?,安全?chǔ)備較大,故僅對(duì)以下兩種方案進(jìn)行討論,方案1:兩端拱腳向拱頂對(duì)稱(chēng)張拉;方案2:拱頂向兩端拱腳對(duì)稱(chēng)張拉。該文采用影響矩陣法分別對(duì)兩種張拉方案進(jìn)行正裝迭代計(jì)算,兩種方案下的施工索力及張拉過(guò)程中拱肋的應(yīng)力變化分別如表2及圖4、5所示。

    由表2可知:在達(dá)到同樣的目標(biāo)索力下,方案1的

    表2 設(shè)計(jì)初張索力與施工索力

    圖4 方案1拱肋應(yīng)力變化值

    圖5 方案2拱肋應(yīng)力變化值

    最大施工索力較小,且相對(duì)更為均勻,對(duì)千斤頂?shù)牧砍桃筝^低,能有效降低千斤頂重量,減小工人的施工難度。由圖4、5可知:方案1施工過(guò)程中拱肋的應(yīng)力變化更為合理,且出現(xiàn)的最大應(yīng)力小于方案2,能有效提高施工過(guò)程中拱肋的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,確保施工過(guò)程的安全。基于此,該橋采用從兩端拱腳至跨中對(duì)稱(chēng)張拉的施工方案。

    4 成橋索力參數(shù)敏感性分析

    對(duì)于系桿拱橋而言,當(dāng)理論計(jì)算模型各參數(shù)確定后,采用差值迭代法或正裝迭代法等方法進(jìn)行理論分析后,均能得到合理的吊桿張拉順序及與之相應(yīng)的吊桿施工索力,吊桿張拉施工過(guò)程中,工人將嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)或其他技術(shù)人員提供的施工索力進(jìn)行施工,當(dāng)實(shí)際結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)參數(shù)存在偏差時(shí),勢(shì)必導(dǎo)致全部吊桿張拉完成后,成橋索力與目標(biāo)索力有所出入,同時(shí)吊桿張拉施工過(guò)程中,由于工人的操作不當(dāng),或由于張拉端鎖緊螺母和油泵回油時(shí)拉力損失的影響,也會(huì)導(dǎo)致索力有所差異,這都是現(xiàn)場(chǎng)施工人員無(wú)法確定的,因此在技術(shù)人員給出吊桿張拉順序及吊桿施工索力時(shí),必須對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核,并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)控制?;诖?,為進(jìn)一步研究在特定施工順序下,吊桿成橋索力與目標(biāo)索力的偏差受哪些因素的影響,采用單一參數(shù)法,分別對(duì)拱肋抗彎慣性矩、系桿抗彎慣性矩等設(shè)計(jì)參數(shù)及橋上施工荷載情況和張拉端鎖緊螺母和油泵回油時(shí)拉力損失的影響進(jìn)行敏感性分析。

    該文分別將拱肋抗彎慣性矩、系桿抗彎慣性矩分別增加或減小10%,而其余參數(shù)不變,再根據(jù)未改變參數(shù)前的計(jì)算模型分析得到的吊桿張拉施工索力進(jìn)行正裝分析。對(duì)于施工荷載的影響,為趕進(jìn)度,橋面上可能同時(shí)有兩臺(tái)吊車(chē)同時(shí)作業(yè)(吊裝裝飾板),登高車(chē)(拱肋涂裝)等大型施工機(jī)械,另有施工人員、鋼材、氣焊機(jī)、氧氣罐等若干臨時(shí)荷載,考慮總施工臨時(shí)荷載為75 t,為計(jì)算方便,取10 kN/m的均布荷載分布于整個(gè)計(jì)算跨徑內(nèi)進(jìn)行計(jì)算分析。油泵回油時(shí)的拉力損失是一個(gè)無(wú)法估計(jì)的未知量,該值受張拉吊桿的長(zhǎng)短、張拉設(shè)備、施工人員的操作等因素的影響,可能每根吊桿均會(huì)有偏差,統(tǒng)計(jì)指出,該值可能達(dá)到100 kN;該文為得到吊桿錨下拉力損失對(duì)成橋索力的影響,每根吊桿在施工索力下僅考慮30 kN的損失,進(jìn)行正裝分析;基于以上分析及有限元分析模型,得到各參數(shù)改變后成橋索力與目標(biāo)索力的偏差結(jié)果如表3所示。

    由表3可知:臨時(shí)施工荷載及張拉過(guò)程中錨下拉力損失對(duì)成橋吊桿索力影響較大,在等效的10 kN/m的臨時(shí)施工荷載作用下,成橋吊桿索力最大偏差為11%,如果吊桿初張拉或二次調(diào)索時(shí),施工進(jìn)度超前或滯后,還存在其他橋面堆積荷載,將對(duì)成橋吊桿索力產(chǎn)生更大的影響。系梁抗彎慣性矩影響較小,在其變化10%的狀況下,影響百分比小于1%,這主要是因?yàn)橄盗旱目箯潙T性矩遠(yuǎn)大于拱肋(約7倍),在改變系梁抗彎慣性矩時(shí)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)剛度影響較?。还袄呖箯潙T性矩對(duì)成橋吊桿索力的影響最大約為3%,改變拱肋抗彎慣性矩,成橋吊桿索力偏差大于1%的吊桿數(shù)量為14根,而對(duì)拱腳、四分點(diǎn)及跨中處吊桿影響較小。

    表3 各參數(shù)變化對(duì)成橋索力影響的計(jì)算結(jié)果

    5 頻率法計(jì)算長(zhǎng)度的確定

    目前,柔性吊桿索力測(cè)試的方法主要有油壓千斤頂法、壓力傳感器法、振動(dòng)頻率法及磁通量法,振動(dòng)頻率法不需要預(yù)埋傳感器,它利用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)或人工激振作為結(jié)構(gòu)物激振,在吊桿上附著高靈敏度的傳感器,拾取吊桿在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波、放大、譜分析,測(cè)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,然后根據(jù)吊桿索力與其振動(dòng)頻率之間的關(guān)系求出吊桿的索力,因此,采用振動(dòng)頻率法測(cè)吊桿索力是最為經(jīng)濟(jì)快速的方法。

    目前頻率法測(cè)索力的理論模型主要有張緊弦模型、兩端鉸支的受拉水平直梁模型、兩端固支的受拉水平直梁模型及柔性拉索模型。研究表明:只有兩端固支受拉水平直梁模型能應(yīng)用于短索,其具體計(jì)算公式為:

    (1)

    yn=nπ+Aψn

    (2)

    (3)

    A=-1.33+12.83n+17.3n2

    (4)

    文獻(xiàn)[16]研究表明:吊桿兩端剛度很大的連接部分對(duì)索力測(cè)試精度有著不容忽視的影響,將吊桿兩錨固點(diǎn)間長(zhǎng)度減去兩端連接部分長(zhǎng)度的一半來(lái)取值計(jì)算,能得到合理且精確的結(jié)果,而文獻(xiàn)[17]的研究表明,計(jì)算長(zhǎng)度取兩端錨墊板之間的距離扣除剛性錨頭長(zhǎng)度和減振器長(zhǎng)度影響能得到較為精確的結(jié)果,誤差不超過(guò)3%,各研究成果存在出入,因此,為明確該橋吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度,該文采用兩端固支受拉水平直梁模型計(jì)算公式,并基于Matlab編制程序計(jì)算出每根吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度(1#、21#吊桿由于太短無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出其頻率,未列出),求取平均值并計(jì)算出每根吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度作為后續(xù)索力測(cè)試的依據(jù),結(jié)果如表4所示。

    6 吊桿張拉施工控制流程及成果

    基于以上分析,如不能將全橋吊桿同步張拉到位,為盡量減小吊桿初張拉或二次調(diào)索后的索力與目標(biāo)索力的偏差,提出了以下關(guān)于剛性系桿拱橋吊桿張拉施工控制的流程:① 收集有關(guān)設(shè)計(jì)圖紙等資料;② 確定各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)建立有限元分析模型,并根據(jù)實(shí)際材料試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行修正;③ 進(jìn)行臨時(shí)施工荷載調(diào)查,將橋面上的重型施工機(jī)械及其他臨時(shí)荷載清理出橋面,如不能進(jìn)行清理,需將橋面荷載調(diào)查清楚,并添加在分析模型相應(yīng)位置上;④ 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,確定吊桿張拉方案,得到吊桿張拉的合理施工狀態(tài);⑤ 吊桿張拉施工過(guò)程中,需同步采用頻率法對(duì)吊桿張拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè);通過(guò)千斤頂法對(duì)頻率法參數(shù)進(jìn)行修正,頻率法測(cè)索力建議采用兩端固支受拉水平直梁模型,千斤頂回油后,采用修正后的計(jì)算公式計(jì)算出理論目標(biāo)頻率并對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量,如有偏差,調(diào)整鎖緊螺母進(jìn)行調(diào)整;⑥ 全橋吊桿張拉完成后,對(duì)所有吊桿進(jìn)行測(cè)量,與目標(biāo)索力偏差在合理范圍內(nèi)即施工完成,若有較大偏差需尋找原因,重新進(jìn)行參數(shù)修正并對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。吊桿張拉施工監(jiān)控流程如圖6所示。

    表4 各吊桿有效計(jì)算長(zhǎng)度修正結(jié)果

    基于該文方法對(duì)某剛性系桿拱橋吊桿張拉施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,成果索力如表5所示(1#、21#吊桿頻率無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量,未列出),與成橋目標(biāo)索力相比,最大偏差僅3.0%,滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,可為同類(lèi)型橋梁吊桿張拉索力控制提供參考。

    7 結(jié)論

    (1) 對(duì)于剛性系桿鋼箱拱橋而言,在張拉設(shè)備較少時(shí),從兩端拱腳往拱頂依次對(duì)稱(chēng)張拉吊桿方案優(yōu)于從拱頂往兩端拱腳張拉,且張拉過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力更為合理。

    圖6 吊桿張拉施工控制流程

    (2) 臨時(shí)施工荷載及張拉過(guò)程中錨下拉力損失對(duì)成橋吊桿索力影響較大,拱肋抗彎慣性矩對(duì)成橋索力影響較系梁抗彎慣性矩影響大,吊桿張拉理論分析之前必須對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正,并對(duì)臨時(shí)施工荷載進(jìn)行調(diào)查。

    (3) 千斤頂張拉吊桿過(guò)程中必須輔以頻率法進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)采用千斤頂法對(duì)頻率法計(jì)算模型參數(shù)進(jìn)行修正,兩端固支受拉水平直梁模型更適用于系桿拱橋吊桿索力測(cè)試。

    表5 吊桿成橋索力

    (4) 基于該文提出的吊桿張拉索力控制流程對(duì)某剛性系桿拱橋吊桿張拉索力進(jìn)行施工控制,成橋索力與目標(biāo)索力偏差不超過(guò)3%,具有較高精度,滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,可為同類(lèi)型橋梁吊桿張拉索力控制提供參考。

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