周连伟
(大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁大连116011)
摘要：梁拱组合桥梁为内部超静定结构，针对其施工过程受力特点，通过影响矩阵法优化吊杆张拉顺序模拟施工过程，预测出每个施工阶段的内力及变形，为吊杆张拉施工控制提供理论指导依据。
关键词：影响矩阵法张拉顺序；梁拱组合桥梁；内力影响
中图分类号：U448216 文章编号：1004-4655( 2016) 02-0096-03
无横梁桥面系梁拱组合桥梁是现代交通工程中一种新颖的桥型。随着社会经济的发展，城市桥梁不再仅是功能上的需求，外形的新颖和景观要求也越来越成为备受重视的因素，梁拱组合桥梁的优点正好迎合这种需求，但是梁拱组合结构的桥面刚度较常规拱桥大，使得吊索内力和变形计算趋于复杂。
1工程实例简介
新建桥梁位于现有北岗桥的东侧，跨越3条铁路线，由北向南分别为沈大下行线、沈大上行线、联络线，3条线路均为电气化铁路。同时有4条道路与该桥梁连接，分别为北侧与北岗街、双兴街相连，南侧与鞍山路、新开路相接。
新建桥梁全长38 m，宽27 m，双向6车道；桥梁结构为一孔下承式钢管混凝土梁拱组合式拱桥，其拱轴线为二次抛物线，矢高9m，计算跨径36 m，矢跨比1/4。共分2幅，每幅横向设两根钢管混凝土拱肋，全桥共4根。
每个拱肋下设8根吊杆，顺桥向吊杆间距均为4m，采用冷铸锚式吊杆系统。
根据沈阳铁路局电气化铁路净空必须保证6.8 m的设计要求，新建桥梁设计标高比原桥高出1.78 m，而桥梁两侧均斜交路口，特别是南侧距离北岗桥桥头20 m，北侧距离北岗桥桥头为17.0 m。
为了保证与两侧现有道路的顺接，需最大限度地减小桥面系厚度，降低桥面标高。新建北岗桥平面图见图1。
桥面采用无横梁桥面系，由现浇混凝土纵梁和现浇整体式空心板组成（将横梁消隐在空心板中）。
将桥面标高由20.64 m降低至20.24 m，两侧顺接道路纵坡由6.2%减小至4.1%，对桥面的通行能力和行车舒适性有非常大的改观。新建北岗桥立面图见图2。
2吊杆初张拉顺序的优化
系杆拱结构有3种类型：柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱、刚性系杆刚性拱。为了便于分析，本文忽略风撑、横梁等的影响，将空间问题简化为平面问题。在吊杆张拉施工过程中，由于设备、人员不足等因素使吊杆的张拉往往不能同时进行，在张拉某一根（或一组）吊杆时，拱肋、系梁以及已张拉完成的吊杆将产生新的变形，从而使已完成张拉的吊杆内力发生变化。这一变化的变量还与施工选择的张拉方案有关，即与各吊杆的张拉顺序和张拉力的大小有关。如果选择不当，施工时吊杆内的实际内力有时竟会达到设计值的5倍～7倍。
1)考虑张拉过程结构的变化每一次张拉完成后应将已张拉完成的吊杆加入原结构中形成新的结构，下一次张拉针对新的结构进行循环。
2)在张拉过程中，吊杆实质上的受力是柔索，一般柔索不能承受压力，但对于已张拉完成的吊杆来说，后面的张拉对其影响实质上是该吊杆的两端发生相对位移，简称为柔索的杆化。杆化所得杆件的抗压刚度等于其抗拉刚度，抗弯刚度为0。
3)应用影响矩阵法进行吊杆索力优化计算。
通过吊杆力发生单位变化得到索力影响矩阵
根据线性叠加原理，建立索力、实测索力以及施调索力之间的向量关系，见式(2)。
因为张拉每一根吊杆时，不但改变自身和其他吊杆的索力，同时桥梁的结构也随之变形。为了避免调索期间桥梁局部应力不能过大，在考虑桥梁总体变形的同时，还要保证桥梁局部变形不能过大。所以，在张拉吊杆时需要设定一定的张拉顺序，保证桥梁结构的安全合理。在假定结构变形可以线性叠加的前提下，控制矩阵见式(3)。
吊杆张拉顺序选择步骤见图3。
根据上述原理，编写Matlab程序进行迭代分析，确定张拉顺序（见表1）。
8根吊杆，4组对称张拉，共有16组张拉顺序，通过下面几组数据的对比来说明计算结果（见表2）。
为便于观察，将最终索力以图4表示。
由图4可以看出，不同的张拉顺序对吊杆内力影响比较大，第四组吊杆最大索力超出张拉力42%，而第一组仅为28%。
3施工阶段的张拉控制验算
虽然对吊杆的张拉顺序进行分析和优化计算，确定张拉顺序是为了控制施工阶段各构件内力分布合理，应力控制在允许范围内，但是施工各阶段的验算是确保施工过程的安全可靠。
主要施工阶段的应力包络图见图5~图10。
经过对各施工阶段的模拟计算，在吊杆初张拉阶段（第六阶段），由于吊杆不能同时张拉，根据表1确定的张拉顺序初次张拉吊杆，若初次张拉力过大，拱肋在没有预压轴力的状态下，应力会过于集中，表现吊点弯矩过大，吊点的钢管和钢管内混凝土应力比较大。但现行规范中还没有明确规定。为了安全起见，对钢管内的混凝土沿袭钢筋混凝土结构应力控制，吊杆初次张拉阶段应小幅多次张拉，以控制拱肋上钢管和钢管内混凝土的应力。本工程的吊杆初张拉力应≤60 k N，并分次张拉至200 k N、300 k N，直到拱肋管内全面受压。从图5和图6可以看出，在初次张拉60 k N阶段，管内混凝土下缘最大拉应力2.00 M Pa<1.15f’tk=3.15 M Pa，基本满足规范要求。以后各阶段张拉力增加幅度应≤200 k N，原则是“多次、小幅”张拉，避免拱肋上应力变化过大。
如图7~图10所示，初张拉后，其他各施工阶段拱肋管内混凝土基本不存在拉应力，大压应力均未超过0.7f’tk=24.85 MPa，满足规范要求。
另外，因为梁拱组合结构的特殊性，受力比较复杂，索力对外力比较敏感，所以索力调整误差需严格控制在±5%以内。
4结语
1)无横梁桥面系梁拱组合桥梁张拉顺序对吊杆内力影响非常大，应在桥梁的施工中引起充分重视，必须遵循“多次、小幅”张拉的原则，避免吊杆应力分布不均造成部分吊杆过早疲劳破坏。
2)梁拱组合结构的特殊性，受力比较复杂，索力对外力比较敏感，索力调整误差需严格控制在±5%以内。
3)应用影响矩阵法选择优化的张拉方案，使得施工过程中的吊杆最大张力与设计值之比为最小。通过编程迭代基计算，提供一种梁拱组合桥梁吊杆张拉顺序的方法。通过实际工程验证该方法是合理可行的，为类似的工程提供一定的参考思路。
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