大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装中的扣索索力计算

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第2卷第4期长沙理工大学学报(自然科学版)V0】．2No．42005年l2月JournalofChan~haUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Dec．20o5文嫡号：1672—9331(2005)04—0017—05大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装中的扣索索力计算张克波，王国俊(长沙理工大学桥梁与结构工程学院，湖南长沙410076)摘要：在讨论现有算法的基础上，通过确定斜拉索施工张拉力的影响矩阵，对扣索索力进行了优化．

2、并以茅草街大桥模型桥为实例，较好地模拟了拱肋吊装施工过程，计算了各吊装阶段的扣索索力，在空钢管成拱落架状态下满足了设计要求．关键词：钢管混凝土拱桥；扣索索力；斜拉扣挂；力矩平衡法；零位移法中图分类号：U448．34文献标识码：A无支架缆索吊装斜拉扣挂法是目前大跨径钢管混凝土拱桥普遍采用的一种施工方法．在节段吊装过程中，扣索索力的大小直接关系到节段标高的控制，并与钢管拱肋段重和扣点的布置位置、扣索的倾角等因素密切相关．索力计算已成为施工控制的一项重要内容．1目前的计算方法确定钢管混凝土拱桥施工张拉力的方法主要有两大类：一是力

3、矩平衡法n；二是有限元一零位移法[4'5】．对于求解扣索索力，力矩平衡法又可称为“零弯矩法”．它是指通过张拉和调整扣索索力，使各拱肋节段在接头处的弯矩为零，即视节段之间的连接为铰接，运用节点力系平衡原理，逐段递推求解索力．力矩平衡法力学概念清楚，计算简单，但存在一定的缺陷：①索力计算中始终假定接头处为铰接，接头所能承受的弯矩为零．这与早期钢管析架拱肋安装采用先临时铰接、合拢调整标高后再焊接成整体的情况比较吻合．但是，现在拱肋吊装均采用吊装一段就焊接一段，在进入下一节段吊装前，前面的各个节段接头都承担了弯矩，所以计算模式与实

4、际存在差别，这样就影响了计算结果的精度；②在扣索索力计算中，仅把索力计算作为简单的静平衡问题，因此求出的索力虽能满足平衡要求，但作用于实际拱肋所得的线形并不能满足施工要求．‘有限元一零位移法是假设钢管拱肋节段在扣索张拉就位以后，拱肋上所有索扣点位置均达到预定的设计拱轴线和标高．所以在建立有限元模型时，是以考虑过预拱度后的设计拱轴线作为模型的线形标准，并直接在索扣点处施加零位移支座约束(竖向和纵向)来模拟扣索的约束．这样，在计算出扣点处的支座反力后，直接将支座反力进行合成来作为各拱肋节段吊装中的扣索索力或索力增量．由于各拱肋

5、节段吊装后所有扣点的位移始终假定为零，所以该方法又可称为“零位移法”．在“零位移法”中，拱肋节段吊装阶段各扣点的约束水平反力增量与约束竖向反力增量比例无法保持一致，所以通过约束反力合成的索力增量方向是不断变化的，这与扣索的水平倾角基本不变不相吻合，从而使得叠加计算后的索力作用于拱肋收稿日期：2005—03—07作者简介：张克波(1962一)，男，湖南益阳人，长沙理工大学副教授，主要从事桥梁设计与计算等方面的研究维普资讯http://www.cqvip.com18长沙理工大学学报(自然科学版)2005年12月后，不能保证拱肋

6、的线形符合设计要求．因此，需要一种高精度的方法来求解扣索索力．本研究根据影响结构的概念，确立张拉变量子序列{-，2，⋯，3}，由此建立影响矩阵，并将最优化的计算理论引入到拱肋悬拼中的扣索索力计算中，在对结构进行空间有限元分析的基础上，以拱肋各标高控制点的高程偏差平方和最小为优化目标，以扣索索力作为设计变量，通过约束扣索的最大索力值、单个控制点的标高偏差及内力控制截面的最大Mises应力值，迭代优化出最佳索力．2线性问题的影响矩阵假定结构满足线弹性，考察钢管拱桥第i根扣索的索力随施工阶段s的改变而变化的规律，则有：InI66

7、==X,ii++∑2g+∑2+∑2一=．(1)式中：6为第号扣索在第k阶段的索力；b为第号扣索的张拉阶段号；g为第s施工阶段的拱肋自重对第号扣索的索力贡献；X,i为张拉号扣索对第i号扣索的索力贡献；为张拉_『号扣索对第i号扣索的索力贡献；为第s施工阶段的外荷载对第号扣索的索力贡献；n为施工阶段bk张拉的扣索总数；如果k是最大悬臂状态下的施工阶段号，则式(1)左端项6即为号索合拢前索力，记为c0_式(1)中，右边第1项是b阶段拉索张拉力对第号索的索力总贡献．如果第号拉索单位施工张拉力对第号扣索的索力贡献为t则有：“=tiix

8、．(2)I式(1)中，右边第2项∑g为钢管拱肋自重对第i号扣索的总贡献，与拉索的施工张拉力无关。将该项在最大悬臂状态下的值记为Gf0’施工方案确定后，它是一个常量．式(1)中，右边第3项∑是b阶段之后的拉索张拉力对第号索的索力总贡献．如果第J号拉索单位施工张拉力对第号扣索的索力贡献为tq，则有：∑=∑t