张正涛

中铁二十一局集团路桥工程有限公司 陕西 西安 71000

1 概述

大跨径钢管混凝土拱桥结构在施工过程中涉及多次体系转换，属于内部多次超静定结构，结构受力状态十分复杂，从而造成各施工阶段内力及变形的改变。吊杆下料长度的准确计算及吊杆张拉过程的索力控制是除了拱肋及系梁变形及应力控制之外施工监控的关键工作。吊杆以采用高强度、柔性的钢索为主，且属于关键、易损构件，设计上须考虑可检查、可更换的构造及措施外，施工中吊杆的精准下料及安装定位须得到重视。

2 工程概况

高速铁路斜吊杆简支拱梁组合桥，梁全长83.2m，梁拱计算跨径均为80m，两片拱为平行拱，矢跨比为f/l=1/5，拱肋平面内矢高16m，拱肋采用悬链线线型，悬链线方程为：

拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0m，钢管直径为1000mm，由厚16mm的钢板卷制而成，每榀拱肋的两钢管之间用δ=16mm的腹板连接。上、下钢管内填充C50自密实补偿收缩混凝土。

系梁按整体箱型梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽16.4m，梁高2.5m。底板厚度为30cm，顶板厚度为30cm，边腹板厚度为35cm，中腹板厚度为30cm。吊点处设横梁，横梁厚度为0.4～0.6m。拱脚位置处系梁顺桥向7.6m范围内设成实体段，横桥向宽度为16.4m，截面渐变处设倒角或过渡段。

吊杆布置为尼尔森体系，均采用127根Φ7高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸墩头锚，索体采用PES（FD）低应力防腐索体。

两拱肋之间共设三道横撑，拱顶处设米字撑和两个一字撑，拱顶至两拱脚间设两道K型横撑。横撑由Φ500、Φ400和Φ360mm的圆形钢管组成，钢管内部不填混凝土。主桥上部结构立面图如图1所示。

图1 ：上部结构立面图（尺寸单位：cm）

本桥的施工采用先梁后拱的施工方法，待灌注完钢管内混凝土并达到设计强度后，依次对称安装及张拉吊杆，张拉顺序及控制张拉力为：2#、2’#（1700kN）→4#、4’#（1600kN）→6#、6’#（1200kN）→3#、3’#（1400kN）→5#、5’#（1200kN）→7#、7’#（1100kN）→8#、8’#（800kN）→1#、1’#（1300kN）。

3 施工过程仿真分析

为了进行施工控制计算分析，首先采用midas Civil建立全桥施工过程仿真计算有限元模型。主拱、系梁、横梁均采用梁单元进行模拟，吊杆采用只受拉桁架单元进行模拟，主拱截面采用施工阶段联合截面进行分析。有限元模型如图2所示。通过施工过程仿真计算，得出各个施工阶段结构的理论应力及变形。

图2 ：有限元计算模型

4 吊杆下料长度计算

4.1 无应力索长的计算方法

图3所示拉索单元，结构在变形前i、j节点的坐标分别为（xi、yi）和（xj、yj），结构在外加荷载作用下发生变位，节点i、j的变位分别为（uj、vi）和（uj、vj），结构在变形后状态i、j点的位置为：i点（xi+ui，yi+vi），j点（xj+uj，yj+vj）。

如果不考虑拉索由于自重而产生的垂度，则拉索i、j节点在受载后的几何长度（有应力长度）为：

设ij拉索单元截面面积为A，弹性模量为E，荷载作用下的索力为N，则索力N产生的弹性变形为：；拉索的无应力长度为：。

图3 ：拉索单元

4.2 吊杆张拉时吊杆内力及杆端位移

通过有限元计算，吊杆张拉时杆端位移及吊杆有应力长度L，结果见表1。

表1 ：吊杆张拉时杆端位移及吊杆有应力长度

4.3 吊杆下料长度计算

吊杆下料长度为单根吊杆张拉时的无应力长度，吊杆索体P E S(F D)-7-1 2 7的钢丝公称直径为4 8.8 8 c m2，弹性模量为2.05×105MPa，计算吊杆下料长度（加工长度），即无应力长度，见表2，吊杆长度为上锚垫板顶面至下锚垫板底面中心的距离。

表2 ：吊杆下料长度（加工长度）

5 结语

（1）钢管混凝土拱桥的吊杆的无应力长度计算不能单纯的只考虑吊杆张拉力引起吊杆伸长量的因素，

尤其是采用斜吊杆的拱桥，张拉过程拱肋及系梁产生变形，吊杆杆端产生位移及杆体的旋转，上下索导管也会随之变化，吊杆张拉后的空间坐标的计算是十分必要的。

（2）通过理论坐标及有限元计算的方法得到吊杆无应力长度后，施工监控过程中，还需实际测得系梁及钢管内混凝土的实际弹性模量，另外还要实际预拱度及施工预拱度，支架变形、监测索力的压力式传感器等因素的影响，最终确定吊杆的下料长度。