钢管混凝土拱桥施工阶段吊杆应力分析

材料、施工技艺等因素的影响，导致桥梁结构的实际状态与理论分析状态有所偏差，这就凸显了监控在钢管混凝土拱桥施工过程中的重要性：它以设计成桥状态为实现目标，在整个施工过程中，对桥梁结构进行监控，通过分析和调整桥梁结构实际状态与理想状态之间的差异（误差），使桥梁施工状态最大限度地接近理想状态，从而保证桥梁结构在施工过程中的安全，最终达到桥梁结构成桥状态满足设计和施工规范的要求[1-3]。吊杆作为钢管混凝土拱桥重要的受力构件，若是在施工过程中留下隐患，则将直接影响桥梁的安全使用[4]，这更加说明了监控工作的重要性。本文以某钢管混凝土拱桥为工程背景，运用SAP2000V14有限元计算软件对桥梁主体结构进行数值分析，并选用其中吊杆的软件分析值与实际施工中监测数据进行对比分析。

1 工程概况

本文选取的桥梁为一钢管混凝土拱桥，主桥跨径70m，引桥为14×20m；桥头引道总长301.7m；荷载等级为公路-Ⅱ级。主桥系杆拱上部结构：设计采用混凝土钢管拱肋系杆拱结构，系杆中心距9.2m，系杆拱拱肋轴线采用二次抛物线，拱轴线方程为y=4f（L-x）x/L2，其中计算跨径L=68m，矢高f=13.6m，矢跨比D=1/5，系杆混凝土标号C50。系杆采用箱形断面，高1.8m，宽度为1.2m，在拱脚处加宽至1.30m，拱肋采用腰形钢管混凝土结构，半径R=500mm，高1300mm，壁厚12mm，钢管材料Q345，钢管内压注C40微膨胀混凝土；系杆和拱肋跨中均设8cm预拱度。吊杆采用带PE护套、工厂加工的OVM.GJ15-12钢绞线成品索，标准强度1860MPa，外套？准299mm钢管。吊杆间距4.85m，全桥计26根吊杆，对应吊杆间设置横梁，行车道板搁置在横梁上。主跨示意图如图1示。

2 有限元分析模型

2.1 单元建立

计算以Frame单元模拟主桥系杆、拱肋、吊杆、横梁、风撑等受力杆件，截面尺寸按施工图输入；预应力钢束在建模时处理为Tendon单元；桥面板及附属结构通过荷载的形式作用于杆件；桥墩采用简化支座模拟。

2.2 边界条件

桥墩采用简化支座模拟，成桥后采用一般支撑，四支点支撑边界依次为：约束Rx、Rz、Dx、Dy、Dz，约束Rx、Rz、Dy、Dz，约束Rx、Rz、Dx、Dz，约束Rx、Rz、Dz；施工阶段临时墩及支架采用弹性连接支撑，在系杆下方建立弹性支撑。

2.3 计算荷载取值

①自重：混凝土按26kN/m3，自重系数取1.04；

②二期荷载：桥面板、桥面铺装荷载作用在横梁上，护栏荷载作用在系杆上；

③预应力：系杆、吊杆预压力按施工图计算；

④温度：按温度实测值计算；

⑤收缩徐变：按实际监测日期计算。

2.4 计算模拟工况

根据施工阶段对桥梁结构受力的影响，全桥采用非一次性落架[5]，计算模拟共分为五个工况，分别为：

工况一：

在支架上现浇系杆、拱脚、端横梁，吊装中横梁，当系杆混凝土强度达到设计强度等级值的90%且砼龄期不小于7天时，张拉第一批系杆预应力钢束；张拉中横梁第一批预应力钢束。

工况二：

①分段吊装拼接拱肋钢管，安装所有吊杆及风撑（从中间向两侧对称安装，吊杆加强钢管安装且两端焊死），收紧吊杆；

②灌注拱肋混凝土，从拱脚到拱顶，采用泵送顶升压注，按对称、平衡的原则依次灌注；

③当拱肋混凝土强度达到设计强度等级值的90%时，拱肋与其支架脱离，但不卸落，支架脱离拱底缘3～5cm；

④对称张拉系杆预应力钢束；

⑤按规定顺序张拉吊杆第一批预应力。

工况三：

①安装其余中横梁，并张拉中横梁第一批预应力钢束；

②按规定顺序张拉吊杆第一批预应力；

③对称张拉系杆剩余钢束。

工况四：

①拆除临时支架；

②安装行车道板、引桥预制梁；

③张拉端横梁、中横梁第二批预应力钢束。

工况五：

现浇桥面整体化混凝土，完成桥面铺装。

计算模型见图2（工况二、三、四、五）。

3 施工阶段应力监控

3.1 吊杆控制截面应力测点布置

为了解施工过程中各控制截面的应力状况，保证桥梁质量，同时也为了与理论值比较，验证各项设计假定的合理性及设计的可靠性，须对该桥控制断面进行施工阶段应力监测[6]。本文仅选取吊杆监控数据与理论分析值进行比对研究，该桥吊杆共布置20个应力测点，其中1-13为上游吊杆应力监测点，14-20为下游吊杆应力校核点，布置见如图3（a）和图3（b）。

3.2 各工况应力监测与分析

为了确保监测数据的准确性，保证工程质量，检测单位选用了工程实测和结构试验中应用较为广泛的方法：利用振弦式应力传感器测的所布测点的振动频率，并通过换算算得该测点的应力值[7]。传感器按预定的测试方向焊接在吊杆上。

通过对工况二到工况五的现场监测和软件模拟，可得吊杆各控制截面的实际测量值和理论分析值，详见图4（a）～图4（d）：

通过比对各工况吊杆测点应力实测值与理论分析值，可得出：①工况二应力校验系数的范围为：0.6<ξ<1.11，可以看出该比值范围较为合理，说明该工况吊杆的应力状态无异常；②工况三应力校验系数的范围为：0.73<ξ<1.08，可以看出该比值范围较为合理，说明该工况吊杆的应力状态无异常；③工况四应力校验系数的范围为：0.68<ξ<1.15，可以看出该比值范围较为合理，说明该工况吊杆的应力状态无异常；④工况五应力校验系数的范围为：0.80<ξ<1.09，可以看出该比值范围较为合理，说明该工况吊杆的应力状态无异常。

4 结论

通过对上文各工况实测值与分析值的应力校验系数的分析，结果表明：

①吊杆各测点应力实测值与理论分析值吻合度比较高，这说明吊杆控制截面的位置和测点的位置布置合理，软件分析的结果能够较好地反映吊杆应力的变化；

②各工况中，吊杆各控制截面应力值及测点误差均控制在规范和设计要求的范围之内，这说明通过施工监控，该桥成桥过程中吊杆的内力状态符合设计和规范的要求。

参考文献：

[1]顾安邦，张永水.桥梁施工监控与控制[M].北京：机械工业出版，2005.

[2]GB 50982-2014.8-2015，建筑与桥梁结构监测技术规范[S].

[3]刘飞鹏，李金彪.钢管混凝土拱桥施工阶段应力监控分析[J].建筑监督检测与造价，2014，7（4）：49-52.

[4]高欣.在役钢管混凝土拱桥吊杆损伤与系统可靠性分析方法[D].黑龙江省：哈尔滨工业大学，2011.

[5]陈宝春.钢管混凝土拱桥施工问题研究[J].桥梁建设，2002（3）：55-59.

[6]王长虎.桥梁安全事故浅析及其防治对策研究[J].北方交通，2007（3）：52-54.

[7]刘单.振弦式传感器工程应用研究[D].河北：河北工业大学，2014.