对大跨度拱桥吊杆张拉过程的分析

作者:张治成;韩晗 刊名:建筑施工 上传者:张文敏

【摘要】以在建的杭州九堡大桥主桥工程为例,通过优化理论、倒装分析以及正装迭代分析,快速高效地解决了系杆拱桥在整体顶推到位后所面临的吊杆张拉、拆除临时撑杆、拆除主跨临时墩等问题。经施工实践证明,该方法行之有效,值得推广。

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1工程概况杭州九堡大桥主桥上部结构为3m210m三孔连续结合梁钢拱组合体系拱桥,相邻两孔间采用长22m的连续梁连接并用“V”型墩作支撑,单孔净支承跨径188m,桥面全宽37.7m,全桥共计有319=57对吊杆。梁拱体系在拼装场地拼装完成后整体顶推,顶推过程中梁拱之间采用了临时撑杆连接,在落梁就位后,安装并张拉了吊杆。由于传统的大跨度拱桥施工一般采用无支架施工的方式,通常为缆索吊装施工法、平转施工法、竖转施工法等几种[1][3],其在大跨度拱桥梁与拱之间一般仅用吊杆进行连接。而本工程中的九堡大桥主桥是采用顶推法施工,梁拱之间存在临时撑杆,要在吊杆的安装张拉阶段必须考虑到临时撑杆的拆除,并且在最终阶段要满足桥面板铺装的需求。所以在这一过程中需要对吊杆的张拉力和张拉顺序进行分析计算,图1为主桥落梁就位后纵断面。图1九堡大桥主桥落梁就位后纵断面2有限元模型建立本工程根据施工现场情况,分阶段分别采用了优化理论、倒拆法、正装迭代法来分析确定施工过程,并利用有限元软件ANSYS和MIDAS进行结构计算。其中ANSYS采用beam4、beam44单元模拟结构,吊杆用作用在吊点位置的一对大小相同方向相反的力代替;MIDAS中吊杆采用桁架单元模拟。吊杆区段编号见图2,其中每跨1区吊杆5对,2区吊杆6对,3区吊杆6对,4区吊杆2对。图2吊杆区段编号3分析过程分析过程分两个阶段共计4个步骤,见图3。第一阶段张拉1区及3区吊杆、脱空水中临时墩并拆除A、B、C临时撑杆。为保证拆除过程的安全性,拆除临时撑杆时必须保证临时撑杆轴力很小(计算时取小于100kN),此阶段的吊杆安装和张拉主要目的是拆除临时撑杆;第二阶段安装张拉2区、4区吊杆并调整1区、3区吊杆索力,为桥面板铺装做准备。图3分析过程141《建筑施工》第33卷3.1步骤1整个分析计算过程,从确定B拆除时吊杆目标索力这一状态开始,采用了有限元计算同优化分析相结合的方法[4]来确定这一状态各吊杆索力,此时应张拉1区和3区吊杆。具体做法:(1)设计变量取吊杆索力为设计变量,全桥吊杆共计311=33对吊杆。由于模型较大,为减少计算量,1区5根吊杆取3个设计变量,3区3根吊杆力取一个设计变量,全桥共计设计变量35=15个。(2)状态变量为了保证优化过程结构的安全性,取结构的最大应力及临时撑杆应变能作为状态变量加以控制,应力上限取2108Pa、下限取-2108Pa;设计变量上限取2106N,下限取1105N。(3)目标函数其优化过程主要是为了降低A、B临时撑杆梁端轴力,以便拆除。因此,取A、B临时撑杆梁端轴力绝对值之和为目标函数,取收敛公差为10。经过21次迭代运算得到结果,结构最大应力为9.18107Pa,最小应力为-1.11108Pa,目标函数为5.66105N。3.2步骤2在ANSYS中吊杆索力通常是以体内力的形式加载在结构上,而MIDAS中提供了体外力功能,实际吊杆张拉过程索力是体外力,因此采用MIDAS模拟施工阶段。因利用倒拆法可以确定施工阶段吊杆初始张拉力[5],所以在确定拆除B撑杆时吊杆的目标索力后,可根据这一状态进行倒装分析。每一个施工阶段拆除一根吊杆,待拆吊杆的梁端吊杆力即为吊杆安装张拉时的初始张拉力。3.3步骤3当A、B临时撑杆拆除后,C临时撑杆力较大,为拆除C临时撑杆,需要调整3区吊杆索力。这一步骤可以拆解为两个部分:第一部分是确定目标状态;第二部分是确定各个施工过程状态,两部分均以通过正装迭代计算。具体做法为:第一部分以A临时撑杆拆除后的状态为初始状态进行迭代,迭代过程见图4。调整吊杆力时应一次调整到位,不

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