大跨度钢管混凝土拱桥系杆张拉施工优化
摘要：以一座下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥为背景工程,介绍了系杆张拉施工优化方法，并对优化前后结果进行对比，得出优化后的施工工序主墩墩底应力较为合理，确保拱桥的施工安全。
关键词：钢管混凝土、拱桥、系杆张拉、主墩应力 1引言
钢管混凝土系杆拱桥是以系杆张拉力来平衡由拱桥恒载以及外荷载产生的水平推力的结构体系，在钢管混凝土系杆拱桥施工过程中，随着恒载的不断增加, 系杆的张拉数量也逐根增加, 最后恒载施工完毕, 系杆也张拉完毕, 达到设计要求[1]。系杆张拉工序对施工过程拱桥结构的施工至关重要,通过调整优化系杆张拉工序使施工过程结构受力趋于合理。
2工程概况
衡州大道跨京广铁路立交主桥采用下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，拱肋与桥墩固结，主桥全长172m，计算跨径168m，吊索段桥面宽28.6m（2.3m吊索区＋0.5m防撞墙＋23m双向六车道＋0.5m防撞墙＋2.3m吊索区）。荷载标准采用城市－A级，不考虑人群荷载。道路等级为城市主干道I机，设计车速60km/h。主拱拱肋采用等截面钢管混凝土桁架结构，拱轴线为悬链线，矢跨比为1/4.5，拱轴系数1.05。主桥设20对吊杆，顺桥向吊点中心距为8.0m，每点吊杆为双吊杆，每根吊杆钢索由55根φ7mm的镀锌高强度低松弛预应力钢丝组成，钢丝的标准强度1670MPa。每片拱肋各设10根可换索式钢绞线系杆，每根系杆由19根φj15.24mm的钢绞线组成，钢绞线的标准强度1860MPa。主墩和拱座结构采用C50混凝土。拱桥桥面系为悬吊体系，由钢横梁、钢纵梁、桥面预制板及现浇层组成钢-混组合结构桥面，设有纵坡和横坡。主桥立面布置如图2.1所示。
图2.1 主桥立面布置图
3系杆张拉施工优化
衡州大道钢管混凝土系杆拱桥系杆钢索设置在拱肋下防撞护栏外侧，在拱脚处穿过拱肋，锚固于拱座的外侧，同时，四个主墩均对称设置4组共10束竖向预应力钢绞线，施工过程中，张拉系杆和竖向预应力钢绞线时，主墩墩底的应力是桥梁监控中应当控制的关键。当施加结构恒载时，主拱对拱脚产生向外侧的水平推力，墩底外侧受压，墩底内侧受拉，当结构恒载增加到一定限值时，墩底内侧拉应力会过大，为防止主墩墩底开裂，需张拉一定数量的系杆，此时拱脚受向内侧的水平推力，墩底外侧受拉，墩底内侧受压。当张拉系杆的数量过多时，主墩外侧则可能由于拉应力过大而开裂，反之，若张拉数量过少时，主墩内侧则可
能由于内侧拉应力过大而开裂。故选择合理的张拉顺序和张拉批次数量，控制墩底拉应力不超过限值是确保钢管混凝土系杆拱桥施工顺利进行的关键和核心技术。
将系杆张拉施工进行细化，有利于控制墩底拉应力，但过于细化的施工步骤又将降低施工效率，对工期的要求较高，故选择合理的张拉顺序和张拉批次数量对钢管混凝土拱桥的施工至关重要。
本文对比原系杆张拉施工方案，结合拱桥结构恒载加载顺序，在拱桥实际施工时对系杆张拉顺序和数量进行了调整和优化。第一，将某些批次的4根张拉系杆细化分作两个批次各2根进行张拉，有效地减小了墩底的拉应力，保证了施工的质量和安全；第二，结合拱桥结构恒载的加载顺序并将恒载重量与系杆张拉力进行实时对比，在不影响工期的前提下合理安插系杆张拉施工工序；第三，根据墩底的应力水平，调整了主墩竖向预应力钢绞线的施工工序，有利于减小墩底外侧的拉应力，为主墩提供一定的应力储备值。
3.1原施工方案
设计单位和施工单位提供的原设计施工方案整理列于表3.1。
表3.1 系杆拱桥原施工方案
3.2优化后施工方案
采用本文优化理念和方法对原施工方案进行调整，将1、2、11、12号系杆张拉工序拆分为两个工序，并将2、12号系杆张拉工序调整至主拱肋缀板混凝土灌注之后，将竖向预应力钢束组N1张拉工序调至系杆张拉5、15号系杆工序之前，将5、6、15、16号系杆张拉工序拆分后将6、16号系杆张拉工序调至主拱肋下弦管混凝土灌注工序之后。调整优化后的施工方案列于表3.2。
表3.2 系杆拱桥优化后施工方案
3.3优化结果对比
采用通用软件MIDAS/Civil建立了空间有限元模型，模型全貌见图3.1。全桥共包含2811个单元，1630个节点，其中，吊杆采用只受拉单元，系杆采用桁架单元，其余结构采用梁单元，拱肋结构采用施工联合截面进行模拟。
图3.1空间有限元模型
通过理论分析，根据系杆张拉优化前后施工方案，分别建立拱桥有限元施工计算模型，通过对比施工过程中各系杆张拉时东、西主墩墩底应力结果可知，系杆张拉施工工序优化后，墩底产生的应力均小于优化前。应力对比结果见表3.3、3.4（括号为负，表示压应力，非括号为正，表示拉应力）。应力表中，由于后期施工工序相同且墩底应力未出现拉应力，故不再表中列出。
表3.3 西主墩墩底应力对比表
表3.4 东主墩墩底应力对比表
通过对系杆张拉工序优化前后东、西主墩墩底应力作对比，优化前原方案中西主墩最大拉应力为1.77Mpa，东主墩最大拉应力为2.09Mpa，已超过主墩混凝土C50抗拉强度设计值1.83Mpa，已不能满足桥梁施工安全；优化后西主墩最大拉应力为0.35Mpa，东主墩最大拉应力为0.66Mpa，均小于混凝土抗拉强度设计值，且具有较大安全储备值，证明该优化方法切实可行且具有较大的工程实际意义。
4结论
通过对模型计算和理论结果分析，本文采用的系杆张拉工序优化方法切实可行，确保了系杆拱桥施工过程中主墩墩底应力控制在安全范围内，减小了拉应力的最值并具有较大安全储备，对于钢管混凝土拱桥的安全施工起到至关重要的作用，具有较大的工程实际意义。
参考文献：
[1] 王光明. 钢管混凝土拱桥系杆施工技术[J]. 华东公路, 2008(6):50-53.