外倾式钢箱系杆拱桥吊杆张拉控制与分析外倾式钢箱系杆拱桥吊杆张拉控制与分析摘要：本文介绍了系杆拱桥吊杆张拉的施工方法，并结合某外倾式钢箱系杆拱桥工程对吊杆张摘要：本文介绍了系杆拱桥吊杆张拉的施工方法，并结合某外倾式钢箱系杆拱桥工程对吊杆张拉施工的相关理论数值与实际结果进行分析，可供类似工程施工参考。拉施工的相关理论数值与实际结果进行分析，可供类似工程施工参考。关键词：钢箱系杆拱桥关键词：钢箱系杆拱桥 吊杆张拉吊杆张拉 一、工程概况一、工程概况背景桥分为主桥和引桥部分，其中主桥为 30m+108m+30m 三跨连续外倾式四索面下承式钢箱系杆拱桥。钢箱梁为带 U 型肋正交异性板结构，钢箱梁与钢拱肋原设计采用高强螺栓连接，因部分螺栓空间受限无法施拧到位，后设计改为中横梁顶板与拱肋法兰板全断面角焊接。钢拱肋为外倾式叠加拱，拱肋结构采用变截面加劲矩形钢箱，拱平面外倾 1：3，主拱圈投影高度为 39 米，副拱圈最高点比主拱圈高 7 米，采用小节段焊接拼装。主拱肋轴线方程：Z=-0.014098X2+41.109610，副拱肋轴线方程：Z=-0.017262X2+48.488258。系杆采用 15.20 高强度低松弛钢绞线，标准抗拉强度b1860 MPa，其它性能不低于预应力混凝土用钢绞线GB/T5224-1995 的要求。主跨车行道钢梁内，拱脚位置布置 4 组用于平衡拱脚水平推力的系杆，系杆采用环氧喷涂非集束钢绞线形式。每个拱侧各 2 组，每组47 根钢绞线，钢绞线在钢梁内顺桥方向曲线布置，线型与道路线型相同，以每 2 道横隔梁位置设穿孔式转向器实现曲线布置。钢绞线采用单根双向张拉工艺，锚垫板下设置纠偏装置，每组钢绞线外增设 PE 防护套。吊杆（OVM-PES(C)）采用（环氧或）镀锌平行钢丝束成品索，标准抗拉强度b1670MPa，吊杆索体采用双层 HDPE 防护的全防腐索体套，索体钢丝束间灌注防腐油脂，实现全封闭型防腐。全桥共计 92 根，其中 5-91（内吊杆）为 50 根，5-19（外吊杆）为42 根。吊杆上部与拱肋的连接采用热铸锚叉耳式构造（固定端） ，下部与钢箱梁连接采用冷铸镦头锚（型号） （张拉端） ，带可偏摆球铰装置及防水、防腐构造，以适应吊杆微小转动。吊杆平面布置图二、吊杆张拉准备工作二、吊杆张拉准备工作1、建立计算模型系杆拱桥属于多元（次）超静定结构，因而静力和动力分析分别采用 MIDAS CIVIL2006和 ANSYS 有限元分析程序，经模拟计算得出：拱脚最大轴向压力 17866.3KN，主拱单元最大压应力 144.96MPa，最大拉应力 67.2MPa；主跨拱侧主梁最大拉应力 32.7MPa，最大压应力52.8MPa；中纵梁最大拉应力 30.2MPa，最大压应力 36.2MPa；中主梁最大拉应力 28.5MPa，最大压应力 27.3MPa；拱一侧系杆最大轴力 24000KN，应力为 304MPa；人行道纵梁最大拉应力为 38.14MPa，最大压应力 19.96MPa；内吊杆最大拉力内吊杆最大拉力 995.7KN，外吊杆最大拉力，外吊杆最大拉力123.5KN，吊杆安全系数大于，吊杆安全系数大于 3。2、张拉顺序的确定系杆拱桥吊杆张拉顺序主要受拱圈及主梁受力条件限制，为满足外倾拱圈稳定性，也使吊杆张拉过程中桥梁结构内应力的重分布符合设计模型的理想状态，张拉吊杆顺序应尽量使拱圈受力相对均布为宜。实践结果证明顺桥向顺序张拉会引起拱圈局部受力不平衡，同时为减少前次吊杆张拉与后次张拉对吊杆索力变化的相互偶合影响（预应力损失） ，为确保拱圈的安全性和吊杆力的准确性，一般系杆拱桥吊杆张拉采用数值方法分级张拉，从跨中到拱脚两侧分次对称顺序张拉。3、张拉力的计算考虑压杆的几何刚度，计算拱圈拱冠、四分点、八分点处的平面位移，主拱失稳安全系数21。根据设计院提供的二期恒载铺张完成后吊、系杆张拉力值：拱一侧系杆最大轴力为4000kN，内吊杆力均为 750kN，外吊杆均为 50kN。其中，内吊杆分三次张拉到位，外吊杆分两次张拉到位。经过 ANSYS 有限元分析程序计算，内吊杆第一次张拉增量为 225KN，第二次张拉增量为 450KN，第三次张拉增量见附表 1，外吊杆第一次和第二次张拉增量见附表。 （由于最后一次张拉属微调，吊杆相互间偶合影响可以忽略）内吊杆第三次张拉增量张拉阶段吊杆编号张拉增量(kN)张拉阶段吊杆编号张拉增量(kN)45西侧 13134.2846西侧 12249.9158东侧 2577.3247西侧 11339.1059东侧 3574.3148西侧 10396.9460东侧 4565.7049西侧 9437.8361东侧 5549.3050西侧 8473.8962东侧 6525.2951西侧 7502.4263东侧 7504.0352西侧 6523.9264东侧 8475.6953西侧 5548.2165东侧 9439.8054西侧 4564.8766东侧 10399.0255西侧 3573.7567东侧 11341.2456西侧 2577.0368东侧 12252.1657西侧 1613.2269东侧 13136.934、吊杆安装施工4.1 张拉施工前，所有张拉机具均按设计、规范要求在当地重新标定。4.2 拱上施工和梁下张拉平台采用钢管支架配合使用吊机、卷扬机进行吊杆穿索、张拉施工。4.3 放索前，将保护罩的厚垫板焊接在两端预埋垫板上，确保与垫板孔对中。4.4 放索时，将吊杆两端锚头拆开包装，检查螺纹是否旋入自如，将吊杆张拉端的螺母旋出待用，检查连接装置并剥除包装带。4.5 将固定端的叉耳拧好，用吊具在固定端锚头下 50CM 左右部位扎好，将吊杆吊至拱上挂耳附近。4.6 拱上锚头连接：将锚头吊至拱肋，拱肋下工作平台上的人员将吊杆对正销口，使用卷扬机缓慢起吊，直至吊杆叉耳就位，插上插销。4.7 梁下连接预紧：首先通过连接头将成品索与锚头连接好，然后将锚头吊起按对应的孔位将锚头放入预埋管（密封筒） ，用 YDC240QX 千斤顶将锚头从梁底拉出，然后安装垫圈，拧上锚固端球型垫板及球型螺母。三、吊杆张拉施工控制三、吊杆张拉施工控制吊杆张拉是成桥的关键工序，张拉施工方案既要满足一次张拉吨位较大不使拱圈局部受力过大，又使张拉次数最少避免循环施工，同时消除吊杆次序张拉产生的偶合影响，必须严格按照设计的张拉顺序和张拉力进行吊杆张拉施工，分级加载，每级2Mpa。跟踪测量系杆上拱值、水平位移及拱肋的高程变化。确保端部锚垫板水平，并与吊杆轴线垂直。确保工具螺杆在A 端锚杯内拧入牙数在10牙以上。调整千斤顶撑脚，将其垫实垫稳，保证千斤顶的中心与钢丝束中心在同一轴线上。施工中注意观测构件上拱值和压缩值，并与理论值作比较。吊杆下料长度需经实际测量确定，以免影响张拉施工。施工过程步骤序号施工项目描述1支架拼装桥面钢箱梁2支架拼装拱肋3第一次张拉系杆 50%(2000kN)4安装并第一次张拉内吊杆 1(张拉增量为 225kN)516安装并第一次张拉内吊杆 213(张拉增量为 225kN)17拆除拱肋支架18安装并第一次张拉外吊杆 1(张拉增量见表 2)1928安装并第一次张拉外吊杆 211(张拉增量见表 2)29第二次张拉内吊杆 1(张拉增量为 450kN)3041第二次张拉内吊杆 213(张拉增量为 450kN)42拆除钢箱梁支架43上二期恒载(桥面铺装及附属设施安装)44第二次张拉系杆力 100%(张拉增量 2000kN)二次调索阶段45第三次张拉西侧内吊杆 13(张拉增量见表 3)4657第三次张拉西侧内吊杆 121 (张拉增量及顺序见表 3)5869第三次张拉东侧内吊杆 213(张拉增量及顺序见表 3)70第二次张拉西侧外吊杆 11(张拉增量见表 4)7180第二次张拉西侧外吊杆 101(张拉增量及顺序见表 4)8190第二次张拉东侧外吊杆 211(张拉增量及顺序见表 4)一般来说，吊杆张拉可分两个阶段，第一阶段是脱架阶段（第一次张拉完成至第二次张拉前），第二阶段是成桥阶段（第二次张拉完成至第三次张拉）。吊杆张拉具体操作过程如下：1、调节螺母在梁内调节，一次对称调节两根吊杆。2、安装撑脚、张拉杆、千斤顶、张拉螺母及各油、电管线。3、启动油泵缓慢加压，开始张拉，待到设计索力时停机。4、拧紧螺母，转入下一工作面。5、当上端螺母顶面调节至锚杯尽头，桥面还没达到设计索力时，可考虑在螺母下面垫半圆钢板。6、在吊杆预埋管内灌注防腐材料，锚头部分完全充满，装好上、下减震体、密封装置及防水罩，要求密封不渗水，安装下锚头的保护罩，保护罩内灌注防腐材料。四、结果分析吊杆张拉采用循环张拉，由于其伸长量较小，故采用一个千斤顶张拉，另外一个千斤顶校核的方式，最后张拉结果显示，张拉力误差基本控制在5%以内，符合设计及规范要求。第一阶段吊杆张拉结果的比较（单位：KN）吊杆编号张拉索力目标索力实测索力索力偏差吊杆编号张拉索力目标索力实测索力索力偏差第二阶段吊杆张拉结果的比较（单位：KN）吊杆编号张拉索力目标索力实测索力索力偏差吊杆编号张拉索力目标索力实测索力索力偏差吊杆张拉控制力、伸长值一览表序号吊杆 编号长度 （m）根数第一次张 拉控制力 （KN）第二次张 拉吊杆力 （KN）第二次张 拉控制力 （KN）成桥后索 力（KN）成桥后吊杆应 力（MPa）最终伸长值 （cm）12345678910111213附注：第二次吊杆张拉顺序依次为：6#4#2#5#3#1#，张拉过程中应每座桥对称的 4 根（6# 吊杆为 2 根）同时进行张拉，张拉控制力递减系数为 1.02，循环张拉两次。成桥后对吊杆进行检测张拉一 次。参考文献：1、于琪、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 第 25 期2、林刘赞、贾丽君，系杆拱桥吊杆多次张拉的计算方法，第十八届全国桥梁学术会议论文集3、钟健聪、李新平，空间系杆拱桥张拉控制的研究，广东公路交通，2004 第 2 期4、陈云才，宁波琴桥吊杆张拉方案的探讨，市政技术，2002 总第 113 期