V型刚构连续梁组合拱桥吊杆张拉过程仿真分析研究

李子奇，樊燕燕，白家风

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2.兰州交大工程咨询有限责任公司，甘肃兰州 730070）

0 引言

V型刚构连续梁组合拱桥具有造型活泼、美观、富有动感的特点,桥梁景观效果较好,结构兼具有梁桥和拱桥的特点。梁拱组合结构有效的提高了桥梁的跨越能力，已成为目前比较流行的一种桥型[1]。V型刚构连续梁组合拱桥结构的拱结构一般采用钢管混凝土系杆拱，主要由钢管混凝土主拱肋、预应力混凝土连续梁和吊杆三部分组成，主梁弹性支撑于吊杆上，并通过吊杆传递给主拱肋，主拱肋主要承压，产生向外的水平推力，此推力可与预应力混凝土主梁内预应力来达到平衡，形成自平衡体系[2]。拱肋、主梁和吊杆之间相互制约、依存关系，各部件在施工过程中相互影响，因此，在设计和施工中须综合各因素，使拱桥受力达到最佳。在桥梁施工过程中，系杆的张拉过程和张拉力控制直接影响吊杆的成桥索力合理性。

吊杆在使用荷载作用下是一根轴心受拉构件，可用预应力高强钢丝束或钢绞线作为吊杆，这种吊杆不能受压只承受拉力，一般称之为柔性吊杆。吊杆张拉施工程序是较为麻烦的，其施工控制也是比较困难的，因为柔性吊杆的预应力施工对于由拱肋、系杆及吊杆组装而成的组合结构的内力及变形有着很大的影响。吊杆力张拉如果采取分批多级的方法，即随着结构荷载的不断增加，多次分阶段张拉吊杆钢束，最后达到设计张拉力，同时不同的张拉次序也对结构产生显著的影响[3]。这样势必加大施工难度及周期，给内力及变形控制带来一定难度，而且由于吊杆钢束反复多次张拉，对最终吊杆力大小控制有更高的要求[4]。如果采用分批一级张拉到设计力的方法，可以大大的缩短张拉周期，而且也减少吊杆力的控制工作，可以提高最终成桥索力控制的精度，但是分批一级张拉拱肋和主梁的变形和应力变化要大于分批多级张拉。因此，在实际工程中应根据现场的条件、张拉设备及施工工期等因素，综合考虑吊杆的张拉施工。

本文通过对年楚河特大桥主桥上部结构采用60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构吊杆张拉过程进行仿真模拟分析，确定了综合考虑现场的条件、张拉设备及施工工期等因素下的该桥的实际张拉施工过程。

1 工程概况

年楚河特大桥主桥上部结构采用60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构，拱肋采用1.8次抛物线，计算跨度134 m，矢高39.3 m，矢跨比1/3.4，拱肋横向间距7.6 m，拱肋采用变高度哑铃型截面。两榀拱肋间共设7道横撑，拱顶处一道横撑为l字形，其余六道为K字形，横撑均为空钢管组成的桁架结构。

全桥共设13对吊杆，吊杆采用双吊杆形式，中心间距均为8m，每处吊杆均由双根73丝φ7mm的平行钢丝束组成，吊杆之间纵向间距60 cm。为防止人为破坏，在距梁顶3m范围内，于吊杆PE护套外，加设0.8 mm厚的平锈钢管予以防护。吊杆的张拉端位于拱肋上端。

V墩外侧斜腿与竖直面夹角为54°，内侧斜腿与竖直面夹角为42.8°，截面采用矩形实心截面，横桥向宽9.7 m，厚度各为2 m，斜腿根部与梁底面设圆弧倒角平顺相接。V构底部至梁顶高11 m，V墩底部设支座。

主梁采用C55混凝土，单箱单室直腹板截面，主跨跨中80 m及边跨端部24.85 m范围内梁高为3 m，V墩两斜腿支撑处梁高为4.6 m，梁高按1.8次抛物线变化，箱梁顶面宽10.7 m，底面宽6.8 m，箱梁顶板厚40～60 cm，腹板厚50～120 cm；主梁在V构内部梁高按圆弧变化，最小梁高为3.2 m。

主桥部分桥面板宽10.7m，两侧人行道宽各为1.05 m。栏杆柱尺寸为25 cm×15 cm，待主梁施工、安装就位后，现场浇注每隔4 m设2 cm断缝以油毛毡填塞。与简支梁人行道衔接处于梁端横向设置2m人行道栏[5]。年楚河特大桥立面见图1。

图1 年楚河特大桥立面图（单位：m）

2 计算模型

采用MIDASCivil 2012软件对年楚河特大桥主桥吊杆张拉过程进行模拟计算[4-5]，吊索的张拉顺序是通过软件里的激活、钝化功能实现的。主梁、拱离散为梁单元，吊杆离散为只受拉杆单元，主梁的支架采用只受压的杆单元模拟；V构和主梁采用刚性连接。年楚河特大桥主桥有限元模型见图2。

3 吊杆张拉顺序及仿真计算工况

3.1 吊杆张拉顺序

楚河特大桥主桥60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构桥采用先梁后拱的施工方法，在主梁和拱肋施工完成，拱肋混凝土达到设计强度后对吊杆进行张拉。吊杆编号从小里程向大里程依次编号1#～13#，跨中吊杆编号为7#吊杆，吊杆张拉顺序和张拉力值见表1和图3。

图2 年楚河特大桥主桥有限元模型

表1 年楚河特大桥吊杆张拉顺序和张拉力值

图3 年楚河特大桥吊杆张拉顺序和张拉力值

3.2 仿真计算工况

根据年楚河特大桥主桥60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构桥的设计吊杆张拉顺序，本次按2个工况进行仿真模拟计算分析。

工况1：按照设计的张拉顺序采用一级张拉到设计力值；

工况2：按章设计的张拉顺序采用二级张拉，第一级张拉设计力值的30%，第二级再张拉到设计力值。

4 计算结果及分析

数值模拟计算分析的结果见表2、表3。

从表2、表3可知：

（1）在两种张拉工况下，采用一级张拉的施工过程要比分两级张拉梁体最大的变形大0.8 mm，但两种工况下拱肋变形基本没有变化。

（2）在两种张拉工况下，采用一级张拉的施工过程要比分两级张拉梁体最大的应力大0.6 MPa，但两种工况下拱肋应力基本没有变化。

表2 吊杆张拉主梁未拆架前截面变形

表3 吊杆张拉主梁未拆架前截面应力

5 结论

由上述的数值模拟计算分析结果来看，年楚河特大桥主桥60 m+148 m+60 m V形刚构加拱组合结构桥吊杆在两种张拉施工工况预应力混凝土主梁和钢管混凝土拱肋的变形和应力都偏差较小，主要是由于该桥的吊杆张拉力设计值较小，最大的张力设计力值7#吊杆为750 kN。同时预应力混凝土主梁和钢管混凝土拱肋刚度较大，张拉某一吊杆时对邻近的吊杆力的影响较小，可以忽略不计。因此，该桥两种张拉工况都能满足结构的受力要求。但综合考虑该桥的实际情况和工期的要求，采用一级张拉到设计值的张拉方法进行施工。

[1]刘兆丰.V型刚构组合拱桥的梁格分析[J].科学技术与工程,2012，12（31）：8465-8468.

[2]尹明.钢管混凝土系杆拱桥吊杆施工张拉力计算 [J].公路工程，2010，35（2）：101-103.

[3]虞建成，叶政权.泰州大桥系杆拱预应力刚性吊杆一次张拉模型试验研究[J].公路交通科技，2000，17（6）：41-44.

[4]楚海建，何结兵，顾爱军，等.系杆拱桥吊杆一次张拉方案的优化设计[J].华东公路，2002，134（1）：46-48.

[5]肖艳斌.V型刚构连续梁组合拱桥施工过程结构受力分析[J].城市道桥与防洪，2013（10）：69-71.