正装迭代法在系杆拱桥吊杆张拉过程中的应用

朱小秀

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518029）

1 吊杆张拉计算方法研究现状与工程背景

在施工中，吊杆需要分批张拉，一次仅张拉几根，前期张拉的吊杆力直接影响后期吊杆张拉力，而后期张拉吊杆亦对先期施工的吊杆的束力有着直接影响，最终影响全部吊杆张拉完毕后结构受力性能，若吊杆达不到满足控制条件的内力状态，势必进一步对各吊杆进行束力的调整，这是非常烦琐的事情。因此，利用数值方法，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，使该阶段吊杆施工张拉完毕后，所有吊杆均达到设计值，吊杆不必要返回张拉调整，这样可大量缩短施工时间和节省施工费用[1]。

对于一般吊杆张拉结构而言，吊杆张拉过程可分为两个阶段：第一阶段称为脱架阶段，即通过吊杆的张拉使桥道结构脱离支架，结构体系基本形成，由于吊杆在后续阶段还需继续张拉，因此对该阶段的张拉精度要求稍低，但是其张拉过程却很复杂，比如张拉过程中结构体系在不断变化，桥道结构与临时支架间的状态在接触与脱离之间不断转换等等，因此该阶段的张拉过程实际上是非线性即状态非线性。当该过程的非线性程度较低时，采用线性的调索方法也是可行的，误差不会偏差太大；但当非线性程度较高时，线性的调索方法自身会带来较大的系统误差，计算索力与目标索力偏差过大，不利于指导施工。由于结构脱架以后其基本体系已经形成，结构体系一般处于线性状态，因此采用线性的调索方法一般均可满足计算要求，该阶段是结构的最终阶段，一般要求该阶段张拉完成后吊杆的实际索力与目标值基本一致，因此该阶段要求计算精度较高，同时要求调索方便、快速、省时。因此吊杆张拉时需根据结构处的不同阶段来选择合适的计算方法。当然根据结构安全以及施工需要，上述每个阶段的索力又可以分成多级张拉。

背景桥为提篮双层桁架拱桥，全钢结构，桥梁计算跨径112 m，桥梁总宽11.6 m，拱轴线矢高为22.4 m，矢跨比为1/5。桥梁结构功能为架设管线。拱肋采用双管哑铃形拱肋，系梁采用不加竖杆的三角形钢桁架。全桥设两片桁架，两片桁架间以横梁、小纵梁和斜撑组成的米字型上下水平联杆系连接。结构采用先梁后拱的施工工艺，先搭设临时支架分段吊装桁架，接长临时支架后分段吊装拱肋。吊杆分两阶段张拉，第一阶段张拉使桁架梁脱架，管线安装后进行第二阶段张拉，确保结构达到设定目标值（见图1、图2）。

由于吊杆张拉与千斤顶的布置有较大关系，管线桥施工时共布置了2台千斤顶，横桥向对称张拉，纵桥向设置了12对索分12次张拉完成，纵桥向各对吊杆的编号见图3。

吊杆张拉共分两阶段进行，第一阶段每根吊杆张拉至100 kN，拆除临时支架；第二阶段在所有管线安装完成后，每根吊杆索力张拉至250 kN。

2 ANSYS软件与有限元模型

ANSYS是一个广泛应用于土木工程、机械制造、航空航天等诸多方面为一体的、以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，ANSYS APDL是参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language)，它是一种解释性语言，是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言。它包含了三个方面的内容：（1）工具条；（2）参量；（3）宏。APDL 语言是ANSYS高级应用的基础，它扩展了ANSYS在传统有限元分析范围之外的能力，并扩充了更高级运算。APDL语言是一种非常类似于Fortran77的参数化设计解释性语言，其核心内容为宏、参数、循环命令和条件语句，可以通过建立参数化模型来自动完成一些通用性强的任务。APDL可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的第一章绪论输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来作决定，是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础。APDL允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权，如分析模型的尺寸、材料的性能、荷载、边界条件施加的位置和网格的密度等。通过精心的设计，就可以利用APDL创建一个完善的分析方案。利用APDL中的参数化数组、循环与分支控制、选择语句等功能可方便的实现正装迭代法。

背景桥ANSYS有限元模型拱肋、桁架、临时支架采用BEAM44梁单元，拉索、吊杆采用LINK8索单元，支架与结构之间的接触采用单向LINK10单元，有限元模型见图4。

3 正装迭代法分析过程

桥梁施工控制领域正装法的基本思路为:对实际结构的施工过程进行正序分析,即按照施工方案依次安装各施工步的构件,并施加相应施工步的荷载,来跟踪模拟施工过程中结构的一系列受力状态,从而分析施工过程中结构的内力和变形。由于吊杆支撑桥梁为多次超静定结构，正装法一般需采用多次迭代来求相应的索力，因此正装法应用于吊杆索力计算的基本思路为:先假定一个安装索力,进行一次正装计算,得到一个成桥状态时的索力，将该索力与目标索力进行比较,求出差值,得到最新的安装索力,再进行新的一轮正装计算,直至收敛为止[2]。

具体步骤如下：

步骤1：输入桥梁结构基本参数。

步骤2：假定成桥索力为{F0}，第i次迭代计算时输入的初始索力为{Fi}，相应的计算结果索力为{F}；

4 结语

本背景桥吊杆张拉利用ANSYS软件编制相应的正装迭代法命令流，进行吊杆张拉控制，结果表明，正装迭代法完全满足要求。

正装迭代法能较好地模拟桥梁结构实际施工历程，能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，正装分析的计算索力与目标索力误差较小，因此正装迭代法适合于各类线性与非线性的调索计算，适用范围较广。但是正装法迭代次数较多，收敛速度慢，当单元数量较多时，耗时较长。

表1 第一阶段吊杆张拉工况（单位：kN）

表2 第二阶段吊杆张拉工况（单位：kN）

[1]钟健聪,李新平.空间系杆拱桥吊杆张拉控制的研究.广东公路交通,2004,2:1-4.

[2]颜东煌,刘光栋.确定斜拉桥合理施工状态正装迭代法.中国公路学报,1999,12(2):59-64.

[3]于琦,孟少平.系杆拱桥吊杆张拉控制有限元模拟方法研究.特种结构,2008,25(1):88-91.