斜拱曲梁变截面钢拱桥吊索张拉施工控制研究

1 工程概况

知识城海丝知识中心人行天桥位于广州市黄埔区九龙大道和毗邻支路二号路交叉口，连接两侧绿地城、缤纷广场、海丝知识中心及合景天峻等。人行天桥采用斜拱曲梁变截面钢结构拱桥，全长145 m，共设置4处梯道，主桥全宽6 m，净宽5.5 m，桥下净空大于5 m。桥跨布置为（4+26+36+55+22+1.5） m=144.5 m，另设跨径分别为4.064 m、19.0 m、15.128 m的3个分支，分支与主桥刚接成为整体。

主桥钢主梁断面采用单箱单室断面，梁高1.2 m，梁宽4~6 m，顶板厚12~16 mm，底板厚12~22 mm，腹板厚12~22 mm，顶底板加劲肋间距按350 mm控制。桥梁设置1个主拱，主拱肋整体外倾20 °，拱轴线为二次抛物线方程（y=–23.2×2/292），计算跨径58 m，矢高23.2 m。拱肋截面为正五边形，拱脚至拱顶为变截面，按正五边形内切圆半径R控制，拱脚处R=1.0 m，拱顶处R=0.6 m，板厚为30 mm。吊索体采用平行钢绞线束，两端锚具采用钢绞线整体挤压锚具，拱吊杆索上端为吊耳，下端为可张拉式锚箱。

2 吊索张拉施工技术

2.1 吊索布置

吊索均使用单吊索，共设置13根吊索，沿主拱肋及主跨均匀对称布置，在拱肋拱轴线上间距为2.5 m，在主梁中心线上间距为3.0 m。根据吊杆拉索分布和施工要求，将吊杆拉索进行编号为R1~R13，如图1所示。

图1 吊杆拉索分布情况

2.2 吊索张拉施工

拱轴线形关乎桥梁美观和结构安全，施工至设计线形是张拉施工控制的最终目标。吊索张拉施工是控制整体桥梁线性的关键。从施工安全方面考虑，吊杆张拉应尽量减少对桥梁结构变形量和弯曲应力的影响，应控制单次张拉索力不能过大，进而增加张拉次数；从施工难度方面考虑，张拉次数越少，施工越方便。根据对拱肋线形的要求，吊索索力分两级张拉，吊杆分级张拉控制索力值见表1。

表1 吊杆分级张拉索力值

吊索张拉在不同工程中有不同的张拉顺序，但常见的张拉顺序包括：从1/4处向两边依次或间隔张拉、从拱脚向拱顶逐对对称张拉和从拱顶向拱脚逐对对称张拉等。不同张拉顺序对桥梁结构的内力影响差别较大，为了施工安全和结构受力更优，本桥设计按从短到长的张拉原则，先对拱顶一侧吊索从拱脚向拱顶间隔张拉（R1→R3→R5→R2→R4→R6），再对拱顶另一侧从拱脚向拱顶间隔张拉（R13→R11→R9→R12→R10→R8），最后对拱顶处的吊索（R7）进行张拉。吊索张拉时，梁上锚头分别安装撑脚、变直径连接螺母、张拉杆、25 t千斤顶和张拉螺母，连接油泵用于张拉及索力调整。然后启动油泵缓慢进行分级张拉，达到表1所示分级张拉索力值，索力稳压拧紧螺母张拉完成。

3 有限元计算分析

3.1 有限元模型建立

人行天桥施工过程模拟分析方法采用正装计算法，并使用有限元软件midas Civil 2019 建立全桥的数值计算模型。其中，主梁、拱肋、桥墩、桩基及承台均采用梁单元模拟，吊索采用只受拉的桁架单元模拟，施工过程中的临时支墩采用只受压的弹簧单元模拟，桩与土之间的摩擦系数采用线弹簧单元模拟，忽略楼梯对计算结果的影响，其主要结构计算参数见表2。

表2 主要结构计算参数

全桥共建立节点415个，梁单元386个，桁架单元13个，连接弹簧单元20个，刚性连接单元15个，线弹簧单元158个。

从施工组织设计和桥梁的结构特点分析，本桥在施工过程中在拱肋和主梁架设完成后，需要解除拱肋临时约束并进行吊杆张拉。此时拱肋开始分担主梁荷载，形成一个共同的受力体系，结构应力和线形均会发生明显变化。

张拉完成后，拆除主梁临时支墩完成桥梁结构体系的转换，主梁的荷载全部由梁拱组合体系承担。因此，本有限元模型分析关键工况见表3。

表3 有限元模型分析关键工况

3.2 施工阶段变形分析

由人行天桥不同施工阶段的位移云图可以看出，在解除拱肋临时约束后，拱肋线形会发生明显变化，最大位移为65.6 mm，而主梁由于未拆除临时支墩，其线形几乎保持不变。在张拉吊杆完成后，拱肋开始承担部分主梁荷载，拱肋的位移也会增大到100.8 mm，同时主梁也在吊杆的作用下开始产生变形。拆除主梁临时支墩后，梁拱体系形成，拱肋位移略微减小，主梁位移略微增大。桥面附属设施施工结束后，拱肋位移会增大，主梁位移会减小。

3.3 施工阶段应力分析

该人行天桥为曲线桥，其受力具有明显的空间特征，即截面的应力分布不对称。从人行天桥不同施工阶段的应力云图可以看出，在整个施工过程中，拱肋的最大应力出现在拱脚处，而主梁的最大应力分布在曲梁跨中位置。显然，拱肋的应力远大于主梁应力。因此，施工过程中应重点关注拱肋的应力变化情况，尤其是拱脚处的应力。在整个施工过程中，数值仿真结构所受最大应力为61.5 MPa，小于其屈服强度235 MPa，表明结构处于安全状态。

4 结论

本研究对斜拱曲梁变截面钢拱桥的吊索张拉施工技术进行研究，采用midas Civil 2019 软件建立了桥梁结构的整体模型，模拟了吊索张拉施工的全过程，主要分析了4种工况下桥梁结构的变形和应力，并对吊索张拉施工安全进行了合理分析，主要结论如下。

拱肋线形会发生明显变化，在解除临时约束和吊索张拉完成后，最大位移分别达到65.6 mm和100.8 mm，最大位移出现在拱顶位置。而主梁的线形几乎保持不变，只是在拆除主梁临时支墩后位移略微增大。拱肋和主梁截面的应力分布不对称，拱肋的最大应力出现在拱脚处，而主梁的最大应力分布在曲梁跨中位置。显然，拱肋的应力远大于主梁应力。在吊索张拉施工过程中，桥梁结构没有出现局部应力超过材料强度设计值，表明结构是安全的。