王莉

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

系桿拱橋外部為靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)［1］，吊桿內(nèi)力的改變對(duì)全橋受力狀態(tài)均有一定影響。系桿拱橋最常用的是柔性吊桿，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性，在長(zhǎng)期荷載作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛和應(yīng)力損失［2］。因此，系桿拱橋索力優(yōu)化具有重要的實(shí)際意義。

朱敏等［3］通過(guò)零位移法和能量最小法的優(yōu)化組合形成最優(yōu)化的成橋狀態(tài)，建立了施工期結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量與成橋狀態(tài)目標(biāo)之間的關(guān)系，從而得到不同施工階段合理的吊桿張拉力。任偉新等［4］指出將吊桿理想化為張緊的弦時(shí)，忽略了吊桿的垂度和抗彎剛度，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)不可接受的誤差。因此對(duì)弦公式進(jìn)行了修正，采用能量法和曲線擬合法，建立了分別考慮索垂度和抗彎剛度影響、由基頻計(jì)算索力的實(shí)用公式。張戎令等［5-6］從吊桿受力分析出發(fā)，結(jié)合抗彎剛度，在考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剪切變形的影響和鋼絞線及高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）2 種復(fù)合材料耦合振動(dòng)的情況下，推導(dǎo)出吊桿鉸接下索力計(jì)算公式。宋一凡等［7］引用斜拉索的動(dòng)力計(jì)算長(zhǎng)度概念得到吊桿的動(dòng)力計(jì)算長(zhǎng)度，然后將兩端固結(jié)支承的拉索振動(dòng)問(wèn)題等效成兩端鉸結(jié)支承的拉索振動(dòng)問(wèn)題，從而解決了長(zhǎng)期以來(lái)用振動(dòng)法測(cè)估索力時(shí)遇到的有效吊桿長(zhǎng)度取值難題。既有研究成果完善了索體系理論，為實(shí)際工程索結(jié)構(gòu)張拉提供了借鑒。

本文以蘭新二線新疆烏魯木齊河特大橋?yàn)? 跨128 m 系桿拱橋?yàn)楸尘?，建立室?nèi)1/16 縮尺模型，研究不同初張拉力時(shí)張拉過(guò)程中索力變化規(guī)律及拆除支架后系梁的應(yīng)力和線形，可為同類橋梁的吊桿張拉方案提供借鑒和參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

該橋?yàn)殡p線鐵路橋，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5，系梁為單箱雙室，每道拱肋上有17 組吊桿，每組2 根，采用先梁后拱的施工方法。對(duì)系桿拱橋進(jìn)行縮尺模型吊桿索力試驗(yàn)，其幾何縮尺比例為1/16，依據(jù)相似原理確定模型橋與原型橋面積、剛度、質(zhì)量等參數(shù)的相似系數(shù)，并進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。系梁尺寸見(jiàn)圖1，拱肋為啞鈴形截面（拱肋壁厚82 mm，拱肋外經(jīng)1.4 mm），模型橋吊桿采用6×19φ6.2 mm的鋼絲繩，鋼絲繩采用U形鎖扣［5］將其錨固。

圖1 系梁尺寸（單位：cm）

為控制各吊桿索力，在模型橋拱肋安裝吊桿的位置安裝S 形拉式傳感器，在系梁底錨具上方安裝壓式傳感器，通過(guò)連接DH3016 靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試吊桿張拉過(guò)程中索力變化情況［8］。

吊桿上端與S 形傳感器連接，吊桿下端穿過(guò)系梁并錨固于齒板上，最后取拉式傳感器與壓式傳感器的平均值為該吊桿索力。在系梁L/8，L/4，3L/8，L/2，5L/8，3L/4，7L/8 截面布置百分表測(cè)試張拉過(guò)程中系梁撓度［9］。在系梁底緣拱腳和L/4，L/2，3L/4 截面布置應(yīng)力應(yīng)變計(jì)測(cè)試張拉過(guò)程中系梁應(yīng)變。

模型橋測(cè)試試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

圖2 模型橋測(cè)試試驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)工況

為便于研究，將每道拱肋上的吊桿按小里程到大里程依次編號(hào)，每道拱肋上每組吊桿分為A，B 吊桿，見(jiàn)圖3。

圖3 吊桿編號(hào)

在系梁L/4，L/2，3L/4 跨底布置臨時(shí)支墩，承擔(dān)系梁、拱肋全部重量。張拉時(shí)，橫向和縱向?qū)ΨQ的4根吊桿同時(shí)張拉，根據(jù)吊桿數(shù)量和實(shí)際工程中千斤頂張拉吊桿情況，試驗(yàn)共分為10 個(gè)工況，每個(gè)工況共有8 根吊桿（工況3 除外）。如工況1，張拉吊桿號(hào)為5B13A，其左線和右線各有1 根吊桿，即2 根5B 和13A，共計(jì)4根吊桿同時(shí)張拉；然后張拉2 根5A 和13B；工況3 中，9A和9B為跨中吊桿，共有4根吊桿，一次張拉完畢。

系桿拱橋采用先梁后拱的形式，吊桿張拉方案的選取參考實(shí)際同跨徑的3座橋梁張拉力進(jìn)行吊桿張拉試驗(yàn)。依據(jù)相似比例將3 座橋的初始張拉力進(jìn)行換算，對(duì)應(yīng)的方案分別為方案1、方案3、方案4；將方案1對(duì)應(yīng)橋梁的初始張拉力按加權(quán)平均值換算后作為方案2。

擬通過(guò)不同張拉力下吊桿內(nèi)力重分布、系梁內(nèi)力分布、成橋線形等進(jìn)行分析。4 種張拉方案吊桿初始張拉力見(jiàn)表1。

表1 4種張拉方案吊桿初始張拉力 kN

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 吊桿索力變化

4種張拉方案索力變化見(jiàn)圖4。可知，系桿拱橋在分批張拉過(guò)程中，大多數(shù)吊桿表現(xiàn)出的規(guī)律是后批次張拉的吊桿索力對(duì)先批次張拉吊桿索力有明顯的卸載作用。如首批張拉的5#，13#吊桿，自張拉開(kāi)始，在其他吊桿分批次張拉過(guò)程中，該吊桿索力一直呈減小趨勢(shì)，且張拉順序越靠后吊桿受到的影響越小。在系梁拆除支架后發(fā)生了體系轉(zhuǎn)換，由于系梁自重全部通過(guò)吊桿傳遞給鋼管混凝土拱肋，因此各吊桿索力均有所增加。但在不同批次張拉過(guò)程中1#，3#，9#吊桿索力變化呈加載、卸載循環(huán)狀態(tài)，表明少數(shù)吊桿在張拉過(guò)程中存在非線性應(yīng)力重分布。

4 種方案下吊桿總張拉力分別為41.8，40.8，56.78，131.74 kN，方案1 和方案2 吊桿總張拉力相對(duì)較小，方案4吊桿總初張拉力最大，且其在不同工況吊桿張拉索力變化幅度較大。對(duì)比4 種方案下5#，1#，9#吊桿的索力變化情況，對(duì)于最先張拉的5#吊桿在方案1 中工況9 時(shí)索力減少為0，其余3 種張拉方案從張拉開(kāi)始到張拉結(jié)束時(shí)索力分別減少了88.0%，78.9%和71.9%，方案3 和方案4 索力損失相對(duì)較少。1#吊桿為短吊桿，方案4吊桿初始張拉力最大，其值為3.45 kN，方案1 與方案2 吊桿張拉力相對(duì)較小，分別為1.37，1.20 kN。4 種張拉方案在體系轉(zhuǎn)換前的張拉過(guò)程中索力變化較均勻，卸載也較小。對(duì)于中間9#吊桿，在張拉過(guò)程中吊桿處于加載、卸載的循環(huán)狀態(tài)，從工況5到工況10 索力分別減少了63.7%，65.0%，58.6%和43.7%，方案3和方案4索力減少得相對(duì)較少。

圖4 4種張拉方案索力變化

綜合考慮吊桿初始張拉力、張拉過(guò)程中索力變化可知：方案4吊桿初始張拉力最大，張拉過(guò)程中吊桿索力相對(duì)較大且分布不均勻，該方案是不合理的；方案1與方案2中5#吊桿索力張拉完后卸載較大，也不合理；方案3比較合理。

2.2 恒載作用下系梁應(yīng)力

恒載作用下系梁下緣應(yīng)力見(jiàn)圖5?？芍?，4種方案各控制截面最大應(yīng)力為2.4 MPa，均滿足規(guī)范要求。在跨中4 種方案截面下緣均受拉；在拱腳方案4 系梁下緣受拉，其余3 種方案系梁下緣受壓。 方案1 和方案2各控制截面應(yīng)力比較接近且系梁下緣拉壓狀況相同，方案3 和方案4 各控制截面應(yīng)力絕對(duì)值小于方案1和方案2。說(shuō)明方案3和方案4優(yōu)于方案1和方案2。

圖5 恒載作用下系梁下緣應(yīng)力

2.3 拆除支架后系梁線形

吊桿張拉后拆除支架后系梁變形見(jiàn)圖6?？芍?，系梁變形整體上呈拋物線形，系梁撓度隨吊桿初始張拉力增大而減小。在跨中系梁變形最大，方案1 中撓度最大值為2.93 mm，是方案2 的1.03 倍，是方案3 的1.2 倍，是方案 4 的 3.7 倍。方案 1 與方案 2 在跨中附近撓度差別較小，其他位置系梁變形基本相等。方案4 在L/8 和7L/8 處發(fā)生了上拱，而在跨中附近下?lián)?，這不利于系梁澆筑時(shí)預(yù)拱度的設(shè)置。相比之下，方案3優(yōu)于其他3種方案。

圖6 吊桿張拉后拆除支架后系梁變形

3 結(jié)論

本文以1 跨128 m 特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，按照?shí)際結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)，在室內(nèi)1/16 縮尺模型上進(jìn)行了同一張拉順序下不同吊桿索力試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）4 種張拉方案中，方案4 初始張拉力最大，吊桿索力卸載較大；方案1中先張拉吊桿索力被完全卸載，有一定的不合理性；方案1 與方案2 吊桿索力變化趨勢(shì)基本一致；方案3 中各吊桿初始張拉力比原橋設(shè)計(jì)值偏大，但吊桿索力和系梁應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。考慮吊桿受力及系梁應(yīng)力和變形，方案3較為合理。

2）吊桿在張拉過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力重分布，后張拉的吊桿索力對(duì)先張拉的吊桿索力部分卸載，也會(huì)出現(xiàn)部分吊桿索力增大的現(xiàn)象，且應(yīng)力重分布規(guī)律呈非線性變化。試驗(yàn)中最先張拉的5#，13#吊桿索力受到的影響最大。

3）拆除支架后系梁變形呈拋物線形，吊桿索力、系梁撓度和系梁應(yīng)力均增大。