吊杆拱桥

吊杆拱桥（共8篇）

吊杆拱桥 篇1

摘要：分析了吊杆的更换技术, 通过建立有限元模型对吊杆的承载力及安全系数进行了验算, 对吊杆更换的施工前期准备及在更换过程中采取的技术措施进行了研究, 提出了相应的技术建议, 为处理类似工程问题提供了经验。

关键词：混凝土拱桥,吊杆更换,施工控制

自20世纪80年代国内开始兴建吊杆拱桥以来, 该类型桥梁已相当普及, 随着时间的推移和交通量增加给桥梁带来的影响, 导致桥梁在运行过程中出现各种病害, 这就使得以吊杆拱桥为代表的这类工程检测和结构损伤诊断与防治工作得到愈来愈多的关注。其中又以吊杆为代表的柔性构件的病害检测与修复为重点[1]。由于诸多原因, 在对早期建成部分桥的吊杆检测中, 出现了在使用中钢材料锈蚀情况较严重, 出现较大变形以及锚具的破损等各种病害, 导致应力损失较大, 不能满足正常安全营运需要, 所以研究吊杆系统的载荷行为、设计理论、安全与健康诊断、寿命预测及拆换技术, 是十分必要和迫切的[2]。

1 工程概况

1.1 原桥总体概况

大桥始建于1995年, 为三跨中承式混凝土拱桥, 单跨净跨为95 m, 矢跨比1/5, 拱轴线为悬链线, 拱轴系数m=1.347, 全桥长315 m;桥面宽度为:净12 m (行车道) +2×2 m (人行道) =16 m, 吊杆采用4ϕ22普通螺纹钢, 上端锚固于拱肋内, 下端与横梁预留钢筋焊接, 吊杆外套钢管, 内注砂浆, 全桥共63对吊杆, 吊杆间距为3 m。该桥设计荷载为汽—15级, 挂车—80, 人群—3.5 kN/m2。

1.2 吊杆现状

2007年11月, 有关部门对该桥进行承载能力的检测, 大桥吊杆部位主要病害情况如下:吊杆钢套筒普遍老化变形, 并且钢套筒与拱肋结合处开裂情况普遍, 吊杆材料为普通螺纹钢, 材质不符合现代索力要求, 吊杆与横梁连接为焊接, 这在国内外都是极少见的, 且由于钢套管顶部开裂, 大部分管内有积水, 钢筋锈蚀普遍较重, 断面损失最大达到41.22%, 应力损失极为严重。

1.3 吊杆验算

在这种情况下, 对吊杆系进行空间有限元建模分析, 验算吊杆安全系数。这里采用ANSYS来进行建模分析, 将拱肋、梁、系梁设为梁单元, 将吊杆设为杆单元[3]。

1) 吊杆验算荷载组合如下:a.组合1:结构重力+混凝土收缩徐变+汽车+人群;b.组合2:结构重力+混凝土收缩徐变+汽车+人群+温差+基础沉降+制动力;c.组合3:结构重力+混凝土收缩徐变+挂车。2) 验算结果见表1。3) 验算结论。由于吊杆设计要计入疲劳和冲击等因素, 吊杆的安全系数应在2.5以上, 而短杆的安全系数应在3.0以上[4]。本桥各吊杆的安全系数介于1.29～1.38之间, 远低于上述要求, 故不能继续使用。而导致安全系数过低的因素主要是拱肋偏移和吊杆材料的落后。

根据以上情况及国内外同类桥梁事故的例子, 为保证车辆及行人的安全, 必须更换全部吊杆。

2 吊杆更换

2.1 前期准备

由于原吊杆下端是与横梁上的预埋钢筋焊接, 没有锚固措施及预留孔, 因此须在横梁上吊杆锚固位置钻孔。

原桥由于施工等原因, 拱肋有不同程度的横向偏移, 为了整体的稳定性及吊杆更换的安全性, 凿除了原桥包括桥面、人行道、护栏等在内的已经损坏的附属结构, 进一步减轻自重;同时在拱肋加横系梁, 加强拱肋的整体稳定性, 保证拱肋的偏移量不会继续加大;粘贴拱肋加强钢板及在横梁上粘贴钢板, 提高构件强度, 保证吊杆更换的顺利进行。

2.2 安装临时吊杆系统

由于全桥吊杆均需更换, 采用整跨同时更换。为保证结构安全, 经过验算临时吊杆采用2根270级美标ϕs15.24钢绞线, 上端通过植入拱肋的固定装置固定在拱肋上, 下部固定在贝雷梁上, 临时吊杆的位置在原两个吊杆间距的中心点;贝雷梁是安装在横梁下的纵梁, 上下游各1根。

2.3 拆除原吊杆

临时吊杆安装到位后用千斤顶略微张拉临时吊杆, 以使临时吊杆绷紧, 然后开始张拉临时吊杆, 可以分批带力剪去原吊杆 (钢筋在受力状态下被切断) 。为确保桥面不会因此而有大的应力变化, 我们将原吊杆内力分成4级, 每级为1根钢筋所承受的恒载内力, 4根螺纹钢筋正好被对应分成4级, 逐级解除 (切断) 原吊杆。

2.4 安装新吊杆

采用逐步加载的方法, 先对新吊杆加载20%的计算吊杆力, 不使其松弛。然后逐步减小临时吊杆力, 同时张拉新吊杆。卸载的临时吊杆力等于加载的新吊杆力, 直至临时吊杆力完全卸载而新吊杆力达到计算值。

3 施工控制及技术建议

3.1施工控制

1) 成品吊杆的计算长度指20℃, 零应力时两端锚具尾端 (外端) 之间的直线长度。实际测量时可将超张拉的吊杆卸载至0.2P后再测量其长度, 最后换算成20℃, 零应力时的吊杆长度[5]。

2) 成品吊杆在超张拉时任选一根测定其索力与索长变化的数据, 再计算出其抗拉弹性模量, 其值应不小于1.95×105 MPa。

3) 更换完成后重新测定吊杆内力和复核桥面高程, 并与吊杆的计算内力和原桥面高程进行比较, 吊杆内力误差应不大于5%, 高程误差为±1 mm (考虑温度修正) , 以保持更换前后结构的受力状况基本不变。如不能满足要求, 应分析原因后重新调整内力。

3.2技术建议

1) 凿除封锚混凝土前应仔细研究竣工图纸, 尽量减小因更换吊杆对拱肋面积的削弱和损伤;2) 上下吊点的位置必须对齐, 以保证临时吊杆能够竖直受力;3) 加载和卸载时, 千斤顶泵油量应相等, 以保持临时吊杆均衡受力;4) 在吊杆力的更换期间, 应对拱肋、系梁等主要受力构件进行应力和标高监控;5) 由于吊杆更换工作的特殊性, 为保证此项工程万无一失, 建议在临时吊杆中间加设几道预备吊杆。

4结语

根据调查, 拱桥吊杆更换施工在国内尚不多见, 像本桥这大跨径的全部更换吊杆的施工规模在国内应属首次, 也为我国类型拱桥吊索更换积累了成功的实践经验, 对其他工程具有一的指导意义。

参考文献

[1]王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京:人民交通出版社, 1997:11-12.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社, 1999:120-122.

[3]张立明.Algor, Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北京:人民交通出版社, 2003:36-38.

[4]JTG D60-2004, 公路桥涵设计通用规范[S].

[5]李勇, 陈宝春.钢—混凝土组合桥梁设计与应用[M].北京:科学出版社, 2002:169.

吊杆拱桥 篇2

以某城市钢管混凝土拱桥为例介绍了钢管混凝土拱桥吊杆的检测、更换吊杆设计与施工的全过程.对于大跨度钢管混凝土拱桥的吊杆更换有着重要的.借鉴作用.

作 者：廖刚初 唐咸远 作者单位：廖刚初(柳州市市政设施维护管理处,广西柳州,545006)

唐咸远(广西工学院土木建筑工程系,广西柳州,545006)

拱桥吊杆的腐蚀疲劳分析及防护 篇3

1 拱桥吊杆的腐蚀

1.1 拱桥吊杆腐蚀一般表现形式

我国拱桥的吊杆绝大多数都采用高强钢丝、钢绞线作为受力构件的柔性吊杆。吊杆暴露在大气环境中,受到雨水、车辆尾气等的侵袭,很容易导致吊杆的防护装置失效,使钢丝直接暴露在腐蚀的环境中,进而使钢丝受腐蚀环境的侵蚀。腐蚀疲劳是吊杆最普遍的一种损伤。吊杆损伤发生的部位通常在吊杆杆身和锚头,一般锚头比吊杆杆身损伤严重,下锚头比上锚头严重;损伤的形式一般表现为钢索锈蚀、吊杆护套破损、钢索与下锚头连接处破损、下锚头锈蚀等几个方面(见图1)。2001年,因吊杆内钢绞线腐蚀疲劳而导致桥面坍塌的宜宾金沙江小南门大桥是惨痛的例证(见图2)。

1.2 腐蚀疲劳的机理

在腐蚀疲劳过程中存在两种基本的损伤形式[1]:1)化学腐蚀和电化学腐蚀;2)应力腐蚀。这两者损伤形式共同存在时,两者之间会产生协同、交互作用。

常见的腐蚀疲劳机理有四种[1]:1)点蚀加速裂纹形成理论:在腐蚀疲劳的早期,由于金属表面本身电化学性不均匀以及因疲劳损伤所产生滑移造成的电化学性不均匀,在金属的表面便形成点蚀坑,导致应力集中,从而过早产生裂纹;2)形变活化腐蚀理论:在循环应力作用下,滑移带的变形区域与未变形区域形成腐蚀电池,变形区为阳极,阳极不断的溶解,进而形成疲劳裂纹;3)保护膜破裂理论:腐蚀介质容易在金属表面形成钝化膜,循环应力作用下,钝化膜遭到破坏形成阳极区,在阴极区的作用下,阳极区快速熔解修复膜,以此循环过程下,逐步形成腐蚀疲劳裂纹;4)吸附理论:金属表面吸附了活性物质,使金属的表面能降低,金属的机械性能也随着改变。

1.3 腐蚀疲劳的影响因素

腐蚀疲劳寿命的影响因素包括了材料、力学、环境等,任何单一因素的变化对构件的腐蚀疲劳性都能产生影响[2]。

1.3.1 材料因素

1)材料的耐蚀性:耐蚀性较高的金属对腐蚀疲劳的敏感性较小;相反,耐蚀性差的金属,对腐蚀疲劳的敏感性较大。

2)组织结构:碳钢、低合金钢热处理后可以提高其疲劳极限,但对于腐蚀疲劳的行为影响较小,甚至会降低其腐蚀疲劳强度。细化晶粒可以提高钢在空气中的腐蚀疲劳强度。

3)表面状态:耐腐蚀疲劳性能较表面残余拉应力为好;此外,施加保护涂层可以增强材料的腐蚀疲劳性能。

1.3.2 力学因素

1)应力循环参数:腐蚀疲劳的只有在某一交变频率下最容易发生,且频率越低,裂纹扩展越快。

2)疲劳加载方式:加载方式的影响按如下顺序排列:扭转疲劳>旋转疲劳>拉压疲劳。

3)应力循环波形:应力循环波对腐蚀疲劳有一定影响。

4)应力集中:因表面缺口而引起的应力集中,容易引发裂纹。

1.3.3 环境因素

1)温度:温度越高,材料的耐腐蚀疲劳性能下降。

2)介质的腐蚀性:一般来说,介质的腐蚀性越强,腐蚀疲劳强度越低。但腐蚀性过强时,金属表面会产生一层膜进而阻止进一步被腐蚀,裂纹的扩展速度会降低。

3)外加电流:阴极极化可以使裂纹扩展速度降低,但阴极极化进入析氢电位区后,对高强钢的腐蚀疲劳性能会产生有害作用。阳极极化可加速腐蚀疲劳,但对于在氧化性介质中使用的碳钢,阳极极化可以提高腐蚀疲劳强度。

2 高强钢丝疲劳断口分析

针对钢丝的疲劳断口分析是研究疲劳过程和疲劳失效原因的重要方法。腐蚀疲劳使结构件发生破坏,其断口具有明显的形貌特征,保留了整个断裂过程的痕迹,同时也记载断裂过程中发生的信息。因此,对断口进行分析能了解腐蚀疲劳对裂纹扩展行为的影响。断裂力学是研究带裂纹结构强度、裂纹扩展规律的一门学科。而线弹性断裂力学的研究对象主要是裂纹尖端全弹性和小范围屈服问题,弹塑性断裂力学的研究对象主要是断裂前裂纹尖端附近已产生大范围屈服和全屈服问题[3]。而桥梁用冷拉高强钢丝,其裂纹扩展最小尺寸远远超过裂纹尖端塑性区尺寸,因此使用线弹性断裂理论可以取得较好效果。

根据国内外检测资料调研,高强钢丝断口分为四种类型[4]:1)尖锥状断口;2)脆性断口;3)阶梯状断口;4)杯口状断口。Nakamura.S等人[5]通过对阶梯状断口进行了金相检测,发现裂纹扩展主要受腐蚀疲劳的控制,阶梯状断口为典型的高强钢丝腐蚀疲劳断口。

2.1 断口特征

图3为高强钢丝典型的腐蚀疲劳断口形貌。这种钢丝断口在日本多座悬索桥以及重庆嘉陵江的石门大桥[6]相继被发现。阶梯状断口反映的是钢丝承受腐蚀疲劳或应力腐蚀进而断裂的机制。该断口具有以下特征:

1)出现阶梯状断口的钢丝通常未严重锈蚀,甚至其表面可见金属光泽。

2)断口位置缺乏规律,难以在换索前采用目检检测。并且由于断口呈阶梯状,钢丝断开后部分叠合,按照通常的漏磁检测法所得的检测结果仅为实际断口面积的一半。

3)断口呈阶梯状,其裂纹扩展方向首先沿垂直钢丝的轴线方向发展,在裂纹的深度达到钢丝直径的0.40~0.55时,裂纹扩展方向将突然转折,按平行钢丝轴线的方向扩展,当裂纹又向前扩展一段距离后钢丝的裂纹扩展方向再次改变,并恢复为最初时的裂纹扩展方式,导致钢丝最终断裂。

4)断口阶梯的高度与钢丝的冷拔程度有关,钢丝冷拔的次数越多,则阶梯高度越高。

2.2 断口分析

由图3断口形貌可看出,疲劳断口可分为稳态扩展区(A区)、快速扩展区(B区)和瞬断区(C区)[3]。疲劳腐蚀的发生过程中,裂纹在循环应力作用下沿着A→B→C的路径扩展。对于圆柱体试样,裂尖的应力强度因子K与裂纹的深度成线性关系,即裂纹最深的地方,应力强度因子最大,其扩展的速率也最大。因此,在裂纹的扩展过程中,整个疲劳裂纹的扩展区呈椭圆形。

图3中,A区为稳态扩展区,这个区域内裂纹的扩展受力学和腐蚀两者因素共同作用,此时裂尖的应力强度因子K较小,裂纹的扩展速率较慢,整个稳态扩展区域很平坦。裂尖的应力强度因子K随着裂纹的扩展越来越大,裂纹的扩展速率也加快,裂纹就会扩展到B区。在B区内,裂纹的扩展速率主要受力学因素的影响,扩展速率较稳态扩展区大,而且裂尖的应力强度因子K较大,将接近于材料的断裂韧性KIC。当裂缝的扩展到达一定深度时,就进入了C区,此时钢丝的有效截面减小到临界值,裂尖的应力强度因子K达到材料的断裂韧性KIC,钢丝进入失稳扩展状态,然后发生瞬间断裂。这个断裂区内,断口比较粗糙,可以看到放射状纤维和剪切唇。

2.3 断口表面上的化学成分分析

腐蚀介质对材料的疲劳裂纹扩展过程有着重要的作用。高强钢丝在腐蚀环境中的疲劳寿命比在空气中短,其原因在于,在腐蚀环境里,力学与腐蚀因素的交互作用,显著增加了钢丝的疲劳裂纹的扩展速率。针对新鲜的钢丝疲劳断口进行能谱分析[7],断口上存在氧、氯等元素。高强高碳钢对腐蚀介质尤为敏感,特别是氯离子,它的吸附活化作用加速了金属钝化膜的破坏;此外溶液中的氧也使腐蚀作用增强。

3 吊杆的防护方法

通过对吊杆腐蚀疲劳机理的分析可知,在设计中无法回避的情况,诸如吊杆所处大气环境、承受较大的持续交变应力等,加强吊杆的防护,阻断钢丝与腐蚀介质的接触,是解决腐蚀疲劳的可取思路。吊杆的防护可采取如下措施:

1)双层无粘结HDPE护套。吊杆钢索与其外面的防护层变形不协调是导致防护材料开裂的主要原因。从这个角度出发,考虑采用双层无粘结聚乙烯护套(见图4),即是在已有一层聚乙烯护套外再加一层聚乙烯护套,在两层护套间设置隔离层,使外层护套不出现拉应力,同时在高强钢丝之间的间隙里灌注油脂。里层护套与钢索紧密连接,共同承担外界荷载以及自己的变形。因为外层护套不与里层护套粘结,即使里层护套产生裂纹,外层护套却不会产生裂纹,并且还有隔热的作用,从而确保防护层的不退出工作。

2)锚头内灌注油脂。下锚头容易积存水,易于腐蚀,为了阻断水与锚头的接触,可在锚头内灌注油脂,这样就可以实现锚头与水汽的隔绝。油脂在水和其他的腐蚀性介质作用下,会失效,所以需要对油脂进行密封。但为了方便以后对下锚头的检测工作,不应采用混凝土封锚,可以在锚头外设置保护罩并灌注油脂进行防腐。

4 结语

本文以拱桥的吊杆为研究对象,首先介绍了吊杆在腐蚀疲劳过程中的两种基本形式:应力腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀,以及常见的四种腐蚀疲劳机理:1)点蚀加速裂纹形成理论;2)形变活化腐蚀理论;3)保护膜破裂理论;4)吸附理论。然后分别从材料、力学、环境三方面对高强钢丝腐蚀疲劳的影响因素进行了阐述。接着从断裂力学角度对因腐蚀疲劳分别引起的典型阶梯状断口的特征、裂纹发展过程以及断口表面上的化学成分进行分析。最后根据实际工程需要建议采用双层无粘结HDPE护套、锚头灌注油脂等防护新方法。

吊杆的腐蚀疲劳是涉及多专业的边缘学科,它虽然不能直接影响桥梁的应力水平、安全系数等指标,但对桥梁结构的耐久性有着极大的影响。因此,无论在以后的桥梁设计过程中、后期检测养护过程中,都需要引起桥梁工作者们的相对重视。

摘要：以拱桥吊杆为研究对象,阐述了腐蚀疲劳机理及其影响因素,指出了吊杆钢丝破坏的主要形式为腐蚀疲劳破坏,并从线弹性断裂力学的角度,揭示了吊杆钢丝腐蚀断裂的全过程,最后根据实际工程需要建议采用双层无粘结HDPE护套,锚头灌注油脂等防护新方法。

关键词：吊杆,腐蚀疲劳,裂缝,防护方法

参考文献

[1]王荣.金属材料的腐蚀疲劳[M].西安:西北工业大学出版社,2001.

[2]杨德钧,沈卓身.金属腐蚀学[M].北京:冶金工业出版社,2003.

[3]洪起超.工程断裂力学基础[M].上海:上海交通大学出版社,1986.

[4]王力力,易伟建.斜拉桥的腐蚀案例与分析[J].中国公路工程,2007,32(1):93-98.

[5]Shun-ichi Nakamura,Keita Suzumura.Hydrogen embrittlementand corrosion fatigue of corroded bridge wires[J].Journal ofConstitution Steel Research,2008,65(2):269-277.

[6]牟献良,田月娥,文印伟,等.重庆嘉陵江石门大桥斜拉索腐蚀状况初步调查[J].表面技术,2006,35(1):82-83.

系杆拱桥吊杆张拉力的优化设计 篇4

系杆拱桥外部是无推力结构,但内部却是高次超静定结构。由于结构轻盈、线形美观、建筑高度小、跨越能力大,系杆拱桥在我国桥梁建设事业中得到了越来越广泛的应用和研究,尤其是钢管混凝土拱桥结构、预应力和泵送混凝土等施工技术日趋成熟,使得该桥梁结构形式得到了进一步的推广。

正因为系杆拱桥具有外部无推力结构,内部高次超静定结构这一特点,可以通过改变传递构件的内力来调整全桥结构的受力状态,使纵梁的内力或线形达到某一期望状态。

2 吊杆张拉力确定方法

现有的吊杆张拉力确定方法归纳起来,主要有指定受力状态方法、无约束的索力优化方法、有约束的索力优化方法和影响矩阵方法。这些方法以成桥时的桥梁体系为研究对象,以体系的某种受力性能或某种材料用量为优化目标。

3 利用优化算法进行求解的流程

利用ANSYS的一阶优化算法确定全过程合理设计状态的求解思路是:将营运合理设计状态和成桥合理设计状态综合为一个目标函数,以吊杆张拉力为设计变量,以吊杆张拉施工过程中的应力、变形要求为状态变量,通过单元的“生死”仿真模拟吊杆的施工过程,通过一阶优化算法建立可调变量和目标函数之间的直接、正向联系,经过迭代收敛后即可得到全过程合理设计状态的吊杆张拉力。该文方法既能得到全过程合理设计状态,又能得到确实可行的、一次张拉完成的施工合理设计状态,从而保证了施工、成桥、营运三个设计状态的合理性和一致性。

系杆拱桥吊杆张拉力的确定在数学模型上是一个最优化问题。对于索力(吊杆力)的优化,设计变量即为各索力或各吊杆力值;状态变量应该是桥梁结构的内力或变形值;目标函数即为对设计者希望达到的桥梁状态的数学表述。它使用因变量对设计变量的偏导数,在每次迭代中,梯度计算确定搜索方向,并用线搜索法对非约束问题进行最小化。每次迭代都由一系列的子迭代(其中包括搜索方向和梯度计算)组成,这就使得一次优化迭代有多次分析循环。

目标函数的确定是整个求解过程的关键,体现了设计者所期望的成桥合理状态含义。当前对于“合理状态”的判断有两种观点:结构的应力包络合理;结构的弯矩合理。

4 工程施工的过程分析

吊杆张拉施工过程中不同的张拉顺序对吊杆和梁拱闭合体的影响程度是不同的,必然存在一种张拉顺序,使得在张拉过程中及所有吊杆张拉完成后,梁拱组合体中的最大应力为所有方案的最小,同时所有吊杆的实际内力中的最大值为各种方案中的较小并满足吊杆的材料控制应力要求。吊杆的张拉顺序一般有三种:从拱脚向跨中对称张拉;由跨中向拱脚对称张拉;由四分点对称张拉。通过对梁拱组合桥梁吊杆张拉施工过程中吊杆内力相互影响的研究发现:如果施工过程中的吊杆张拉顺序选择不当,实际吊杆内力甚至会达到设计值的5~7倍,并得出结论,一般先张拉跨中两侧的2根吊杆,再张拉跨中吊杆,然后从拱脚向跨中张拉为最优顺序。

5 在工程实例中的应用举例

工程拱桥跨度为50m,拱轴线采用二次抛物线,拱肋为现浇C50钢筋混凝土,间距为18.5m,单向人行道和非机动车道宽度为8.5m,计算矢高为10m,矢跨比为1/5;吊杆采用5m等间距布置,单面共9根吊杆,吊杆单元号为61~78,吊杆材料采用镀锌消除应力光面高强钢丝,标准抗拉强度为1670MPa,弹性模量为2.05×108,泊松比为0.3,线膨胀系数为1.2×105;锚具为镦头锚。建模采用MIDASCIVIL有限元软件。

以往的影响矩阵法是以每根吊杆的张拉控制力为基本未知量,根据吊杆的张拉顺序,利用有限元模型求出单位力作用下的吊杆拉力矩阵,建立典型方程。通过求解线性方程得到每根吊杆的张拉控制力,使得最终吊杆得到的张拉力达到规定的设计值。ANSYS软件中吊杆张拉力用降温法来模拟实现,得出单位刚度矩阵,再反代回方程。这种确定方法实质上得出的是吊杆的理论值,而在施工阶段,吊杆在张拉过程中的相互影响并未给出具体定值,而MIDAS.CIVIL软件能准确地模拟在施工阶段吊杆的受力情况。

当只张拉中间65和74号单元吊杆时,在施工阶段只有相隔的两根吊杆受到较大的影响,反而对最近的吊杆产生的影响较小一些,在成桥阶段这种影响就消失了;当张拉中间65、74单元和四分之一跨的63、67、72、76单元吊杆时,由于是张拉相隔吊杆,吊杆间的相隔影响效果会相互抵消,但在成桥阶段却没有这种影响,所以张拉时候应该采取跳跃张拉比较合理。

当在后期的二次张拉力调整后,自重、二期荷载、整体降温、初拉力荷载、全载的荷载组合情况下,拱肋、系梁弯矩包络图的弯矩比较合理,但是在拱脚处应力表现却相当复杂,所以在施工时应特别注意拱脚附近吊杆的受力变化情况,也应将此作为调整张拉力的一个影响因素考虑。

摘要：系杆拱桥吊杆张拉力的优化设计问题是工程设计中的重要内容,本文采用ANSYS模拟吊杆张拉的过程,以吊杆应该施加的初始张拉力为基础设计变量,利用应力模拟吊杆张拉力,根据一阶优化算法求出每根吊杆的张拉控制力,使得吊杆的预张拉力达到规定的设计值。结合施工过程,通过对工程实例中问题的计算,使该方法为类似桥梁的设计施工的运用提供参考。

关键词：系杆拱桥,拱桥,吊杆张拉力,有限元分析

参考文献

[1]金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]易云.空间梁拱组合体系桥梁的设计理论关键问题研究[D].上海:同济大学,2006.

[3]虞建成.系杆拱桥吊杆初始张拉力及施工控制[J].东南大学学报,2008(3):112-116.

[4]戴公连,李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:北京人民交通出版社,2005.

吊杆拱桥 篇5

系杆拱桥是一种外部静定、内部超静定结构, 它将梁桥和拱桥两种体系结合在一起, 拱肋主要承受压力, 行车道梁主要承受弯矩, 在荷载的作用下共同受力, 使梁和拱在受力方面的优点得到充分发挥。该桥型建筑高度低, 跨越能力大, 造型优美, 得到越来越广泛的应用。

在施工过程中, 通过对吊杆力的张拉, 完成结构体系的转换。对系杆拱桥而言, 吊杆力的准确张拉是最为关键的工序。但由于后张拉的吊杆会对先张拉的吊杆力产生影响, 使得张拉后各吊杆力往往不能顺利达到设计控制力值。因而确定施工过程中的各吊杆张拉力值, 使得吊杆一次张拉到位, 避免后期复杂繁琐的调索过程是非常具有现实意义的。

本文通过理论分析并结合实例, 说明了一种可行的吊杆施工张拉力迭代计算方法。

2 工程概况

某桥梁全长176.1m, 为三跨简支钢管混凝土系杆拱桥。墩台采用实体墩台, 桩基础均为嵌岩桩。桥面布置为:3m (人行道) +2m (拱肋) +3m (非机动车行道) +1m (护栏) +8m (机动车行道) +1m (护栏) +3m (非机动车行道) +2m (拱肋) +3m (人行道) , 总宽26m。道路机动车道采用双面坡, 坡度为2%, 坡向桥梁两侧, 人行道坡度为1.5%, 坡向道路中心线。桥梁上部结构采用刚性系杆刚性拱, 柔性吊杆。边中跨计算跨径分别为47.6m、67.6m, 拱轴线为二次抛物线, 矢跨比为1/4, 边拱矢高11.9m, 中拱矢高16.9m。拱肋采用圆端型钢管混凝土, 边拱钢管宽160cm, 拱肋高为120cm, 钢管及腹板壁厚1.8cm, 内充C50微膨胀混凝土;中拱钢管宽160cm, 拱肋高为140cm, 钢管及腹板壁厚1.8cm, 内充C50微膨胀混凝土。系梁采用箱型断面, 吊杆处高为188cm, 底宽为300cm, 壁厚100cm。吊杆间距为4.6m, 边拱每片拱肋设吊杆9根;中拱每片拱肋设吊杆13根。吊杆采用127Φ7的镀锌高强钢丝索, 桥面以上2m高度外包不锈钢套管;中横梁高度为184~206cm, 宽60cm;端横梁采用箱型断面, 高184~206cm, 宽300cm。桥面2%横坡通过横梁高度的变化进行调整;桥面板采用整体式实心板, 厚25cm。风撑采用桁架风撑, 由外径80cm和60cm钢管焊接而成。系梁和横梁为预应力混凝土结构。下部结构的桥梁墩台均采用实体式结构, 桥墩基础为直径1.8m钻孔灌注桩, 桥墩基础为直径1.2m钻孔灌注桩, 采用中风化灰岩作为桩端持力层, 入岩深度不小于1m。

3 迭代法计算吊杆施工张拉力

3.1 迭代法计算原理

吊杆施工张拉力的计算方法有很多种, 在此仅采用迭代法。迭代法简单直观, 可用于大跨度桥梁几何非线性情况, 而且容易借助计算机通过有限元软件实现。对于结构不复杂情况, 采用迭代法收敛速度较快, 简单方便。

根据桥梁施工过程的正装分析可知, 成桥状态下的吊杆力是由吊杆初始张拉力决定的, 为了使吊杆终内力满足设计要求, 需要反复迭代计算, 逐渐逼近设计吊杆力。由于吊杆力是初张力的函数, 因此, 求解吊杆施工张拉力的问题可以转化为有约束的极小值问题。

以张拉结束后各吊杆的张拉控制力为目标值, 通过有限元软件迭代计算, 不断改变吊杆施工张拉力, 使张拉结束后各吊杆力逐步逼近目标值。设目标索力矩阵为{Pi}, 吊杆施工张拉力为{Ti}。将{Ti}带入有限元模型计算, 可得到全部张拉完成后索力矩阵{Ni}, 该索力矩阵与目标索力矩阵的差值矩阵为{ΔTi}={Pi}-{Ni}。判断差值矩阵{ΔTi}与差值极限{Δi}的关系, 如果{ΔTi}≥{Δi}则未达到收敛条件, 将{Ti+1}={Ti}+{ΔTi}作为下一次吊杆张拉力。为了达到比较高的精度, 可以将差值极限设置得足够小, 从而使得全部吊杆张拉完后, 各吊杆索力计算值与张拉控制力基本一致。

一般情况下, 桥梁吊杆张拉力占全桥恒、活载的比例较低, 吊杆力的施加引起的结构应力较小, 结构的强度和稳定性一般都能满足要求。根据多座拱桥吊杆张拉控制力优化计算的经验, 迭代计算一般需要3~5次循环即可得到所需要的吊杆施工张拉力。

3.2 吊杆施工张拉力计算

以该在建钢管混凝土系杆拱桥为例, 建立有限元模型进行结构分析。采用上述迭代法计算吊杆施工张拉力。由于边跨和中跨计算方法相同, 现结合中跨计算结果对该方法的应用加以说明。

中跨施工顺序如下:

(1) 搭支架浇筑系杆, 现浇端横梁及拱肋钢管预埋段;张拉端横梁第一批预应力钢束;张拉第一批系杆预应力钢束。

(2) 浇筑中横梁, 并张拉相应中横梁内第一批预应力钢束。

(3) 安装拱肋钢管、横撑钢管。

(4) 自上向下分阶段泵送钢管混凝土。

(5) 架设吊杆并按顺序初始张拉, 使张拉完成后各吊杆力达到第一次张拉控制力。

(6) 张拉第二批系杆预应力钢束, 张拉端横梁第二批钢束。

(7) 张拉第三批系杆预应力钢束, 张拉中横梁第二批钢束。

(8) 吊杆进行第二次张拉, 使张拉完成后各吊杆力达到设计要求的吊杆张拉控制力。

(9) 拆除施工支架。

(10) 浇注桥面混凝土, 护栏及沥青铺装。

吊杆张拉顺序为:4#→5#→6#→7#→3#→2#→1#, 两次张拉吊杆顺序相同。

根据迭代法计算原理计算吊杆施工张拉力。分别计算第一次吊杆施工张拉力和受预应力张拉影响后的第二次吊杆施工张拉力。计算过程与计算结果如表1、表2中所示。

根据表1、表2结果所示, 后张拉的吊杆对已张拉的吊杆力有较大影响, 根据迭代法计算原理, 以吊杆张拉控制力为目标值, 进行迭代计算, 求满足精度条件的吊杆施工张拉力。计算结果表明, 仅需要进行三次迭代计算便可以得到满足精度条件的吊杆施工张拉力值。使得在全部吊杆张拉完成后, 各吊杆力与张拉控制力基本吻合。可以避免施工中复杂的调整吊杆力过程, 只需要按照吊杆张拉顺序和吊杆施工张拉力进行吊杆张拉, 即可通过一次张拉使各吊杆力达到设计要求值。

4 结语

系杆拱桥施工过程复杂, 期间伴随着结构体系以及边界条件的变化, 吊杆张拉是其中重要的施工过程。为了避免施工中复杂的调整吊杆力过程, 本文采用了迭代法原理计算吊杆施工张拉力, 使得根据吊杆张拉顺序和计算得出的吊杆施工张拉力一次性张拉完成后, 各吊杆力与目标值基本吻合。该方法大大减少了施工工作量, 取得了很好的效果。该方法和思路也可以应用于其他拱桥和斜拉桥。

摘要：在系杆拱桥的施工过程中, 吊杆张拉是进行体系转换的关键工序。然而, 后张拉的吊杆势必对已张拉的吊杆力产生影响。为了避免后期繁琐的吊杆力调整, 提出吊杆施工张拉力迭代计算法, 使吊杆尽量一次张拉到位。以一座在建钢管混凝土系杆拱桥为例, 运用该迭代算法, 得到了合理的吊杆施工张拉力, 展示与检验了上述方法并取得了较好的效果。

关键词：系杆拱桥,吊杆,施工,张拉力

参考文献

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[5]黎静.连续梁拱组合体系结构柔性吊杆张拉力的确定[J].工程建设, 2006, 38 (3) :30-32.

吊杆拱桥 篇6

承德市南环大桥结构形式为单跨中承式钢管混凝土拱桥,主跨跨径170 m,桥面宽28 m。拱肋拱轴线采用m=1.3的悬链线,矢高36 m,矢跨比f/L=1/4.72。拱座基础采用扩大嵌岩基础,基底设计为四台阶形式。桥台基础为ϕ1 000群桩承台基础,台身为肋板式桥台。全桥分两榀拱肋,两榀拱肋间距17.2 m。地面以上每榀拱肋横截面为四肢ϕ750 mm×14 mm钢管组成的等高度横哑铃形桁式结构,拱肋高3.50 m,宽1.8 m,腹杆采用ϕ400 mm×12 mm钢管,两钢管拱肋之间共设置7道一字横撑,主弦管内和缀板间填充C45混凝土,拱肋与桥面交接处两拱肋间共设置2道肋间钢横梁。地面以下拱肋采用C40钢筋混凝土结构,横截面为4 000 mm×2 200 mm矩形截面,两现浇拱肋间采用2道斜撑和1道横系梁进行连接。钢结构材料均为Q345qE,除锈等级为Sa3,涂装体系为无机水性富锌底漆→环氧云铁中间漆→聚氨酯面漆。

承德南环大桥,吊杆外形细长,共计38对,采用ϕ7 mm×121 mm镀锌高强钢丝索,冷铸镦头锚具,热挤双层PE防护。随着拱圈的合龙,全桥力学体系进行转换,拱肋的受力,使吊杆处于永久受拉的状态。吊杆索力的控制,对桥梁施工过程、使用和使用寿命都非常重要。经过多方案的比照和可行分析,我们选用自振频率法,对大跨度钢管混凝土拱桥吊杆索力进行测试和检算。桥型结构见图1。

1测试方法及理论分析

采用自振频率法测量索力,是利用环境随机振动作为结构物激振的振源来测定并分析结构物的振动特性进而求出索力的方法。在吊杆上附着高灵敏度的传感器,拾取吊杆在环境激励下的振动信号,经过滤波、放大、谱分析,然后再根据自振频率与索力的关系确定索力的大小。下面将测试原理作简要介绍。

在吊杆上取一段微元,其平衡方程为:

其中,EI为吊杆的弯曲刚度;y为吊杆的振幅;x为沿吊杆方向的坐标;T为吊杆的索力;ρ为吊杆单位长度的质量。

在吊杆的两端为铰接的情况下,由于吊杆呈竖直状态,可以不考虑吊杆的弯曲刚度,此时索力T表达式为:

其中,L为吊杆的计算长度;K为吊杆自振频率的阶数;FK为吊杆的第K阶自振频率。一般计算时常采用一阶频率,如式(2)所示:

利用式(1)或式(2)来计算索力需要测得吊杆的一阶自振频率F1,第K阶自振频率FK及阶数K。然而,在实际测试时,吊杆的一阶自振频率F1不一定能测得,第K阶自振频率FK的阶数K也不一定能确定。所以无法用式(1)或式(2)来计算索力。这就需要确定频谱图上各频谱相应的自振频率阶数的方法。

由式(1)可得:FK=K(T/4 mL2)1/2,F1=(T/4 mL2)1/2

由此可得吊杆的各阶自振频率的频谱是等间距的,其间距等于它的一阶自振频率F1。因此在吊杆索力测量时,只要测出各阶自振频率的频差,即可由式(2)计算出索力。

需要指出,以上分析是在假定吊杆的两端为铰接,不考虑吊杆的弯曲刚度的情况下得到的,这与实际情况有一定出入。一般情况下,能满足工程精度要求。

2频谱测试

2.1测试系统与设备

吊杆自振频率法测试采用武汉岩海工程技术开发公司生产的RS-1616K动测仪,这是一种将拾振器与分析仪器合二为一的设备,其体积小、重量轻,现场使用十分方便。这种仪器主要是用于桩基检测的,由于吊杆自振频率与测桩的振动信号拾取原理相同,岩海公司的工程师对分析软件进行了改造,用于测索力很方便。传感器采用中国航天机电科技公司生产的SY-1型加速度传感器。

2.2频谱测试

采用以上设备,2006年7月对南环大桥的38对吊杆进行了频率测试,图2是上游10号吊杆的频谱图,可清晰看出各阶自振频率的频谱是等间距的,由上所述这一间距等于它的一阶自振频率F1,可容易利用式(2)来计算索力。测试中,几乎所有吊杆的频谱图都与10号吊杆的频谱图相类似,可较容易地得到相邻自振频率间的频差,进而计算索力。但靠近桥头的两根吊杆的频谱图与此不同,见图3,这主要是因为吊杆长度太短,两端不能简化为铰接,吊杆的弯曲刚度也不能忽略。

2.3测试结果

除靠近桥头的4根吊杆外,其余吊杆的测试结果见图4,图5

3结语

随着钢管拱桥、斜拉桥的大规模建设,索力测量成为很重要的一项工作。索力测量可采用液压千斤顶法、压力传感器法等。这两种方法设备笨重,测试时间较长,对某些永久锚固的钢索无法有效检测。而自振频率法测试设备轻便,操作简便、迅速,故在实践中有较好的应用前景。

在南环大桥,用武汉岩海工程技术开发公司生产的RS-1616K动测仪,用自振频率法对吊杆索力进行了测量,测试结果表明:这种测试方法是可行和可靠的,全桥吊杆索力均在设计容许范围之内。但对于靠近桥头的两根吊杆,这种测试方法是无效的,这主要是因为吊杆长度太短两端不能简化为铰接,吊杆的弯曲刚度也不能忽略,因此,对这样的吊杆索力测量的方法还需进一步研究。

参考文献

吊杆拱桥 篇7

新华大桥是杭申线航道改造工程的一部分,主桥上部为下承式预应力混凝土系杆拱桥,拱肋轴线为Y=4fx/L-4fx2/L2二次抛物线,计算跨径为75.6m,计算矢高15.12m,矢跨比为1∶5,系杆、拱肋端部结点整体预制,中部系杆分五段预制,拱肋分五段预制,用现浇接头形成整体;系杆之间横梁、行车道形成桥面体系,两拱肋之间设风撑;下部为双柱式墩台,基础8Φ120钢筋混凝土钻孔灌注桩,支座采用GPZ6000盆式橡胶支座。

该桥于1999年竣工通车,目前已运营十二年,各吊杆表层PE防护套均老化开裂,多数吊杆下锚头封锚混凝土位置存在锈水渗出痕迹。为掌握吊杆钢丝在各断面的锈蚀状况,对全桥吊杆的安全性进行评价,防止事故发生,确保车辆、行人安全,对吊杆及上、下锚头进行锈蚀检查,分析锈蚀现状,为吊杆维修及更换提供科学依据。

2 检查方法

2.1 上锚头

在拱肋位置搭设拱肋检测平台,工作人员在检测平台上采用锤子、铁钎等工具将上锚头封锚混凝土凿开对锚头进行检查,现场检查情况如图1所示。

2.2 吊杆

采用路灯检测车升至一定高度对上下游17对吊杆上锚头逐一进行详细检查,现场检查情况如图2所示。

2.3 下锚头

桥梁跨越京杭运河,桥下过往船只较多,采用在载重货船舱内搭设钢管架的方式建立检测平台,检测平台搭设如图3所示。

3 检查结果

3.1 上锚头

吊杆上锚头已完全封闭于混凝土拱肋内部,将封锚混凝土打开后发现,锚杯完全被混凝土包裹,锚杯表面存在锈迹,见图4。

3.2 吊杆表观状况

各吊杆外观现状较好,未见明显破损和严重开裂,但各根吊杆护套表面均存在由于老化而引起的环向微裂缝。

3.3 预应力钢丝锈蚀情况

抽检结果表明,吊杆与纵梁连接处钢板均存在不同程度锈蚀现象,护套内钢丝存在轻度锈蚀。

3.4 下锚头

各抽检吊杆下锚头病害情况见表1,病害照片见图6、图7。

右-2号锚头被封锚混凝土包裹,锚箱及锚头存在一定锈蚀,中心定位孔被混凝土堵塞,无法对钢筋锈蚀状况进行检查。左-1号下锚头锚箱内壁、钢丝墩头锈蚀较为严重,将内窥镜插入基准孔对吊杆内预应力钢丝进行检查,钢丝锈蚀严重。各抽检吊杆预应力钢丝墩头处排列齐整,未见有松脱现象,锚固良好。

4 锈蚀原因分析

吊杆上锚头锚杯位置已锈蚀,雨水等顺上锚头流入至吊杆内部是导致预应力钢丝锈蚀的主要原因。渗入的水主要靠钢丝间隙向下排出,很难自然干燥,钢丝长期处于湿润状态,在这样的锈蚀环境中,钢丝锈蚀速率比正常大气条件要快得多。在正常大气条件下镀锌钢丝的镀锌层能保护钢丝15年不发生锈蚀,但该桥卸下吊杆的钢丝全部锈蚀,没有发现残留镀锌层也说明锈蚀速率比正常大气条件下快得多。水汽在吊杆内部形成凝结水自上而下流淌至下锚头锚箱内,该部位被封锚混凝土包裹,当水渗入时,空隙内就会存水,该处形成一干湿交替界面,该界面附近的钢丝比其它部位环境更恶劣,锈蚀速率更快,且该部位被水泥浆密封,无法检查钢丝锈蚀,其它吊杆可能存在更严重的锈蚀,必须引起重视。

5 结论

吊杆上锚头均埋设在混凝土拱肋内,上锚头锚杯存在锈蚀现象;各根吊杆现状较好,但套管表面均存在由于老化而导致的环向微裂缝,各吊杆与纵梁连接位置钢垫板均存在锈蚀现象;抽检下锚头锚箱、锚头及预应力钢丝均存在不同程度生锈现象。

6 建议

根据新华大桥外观检查结果,考虑到大桥目前阶段车辆通行状况以及对于当地运输的重要性,为保证桥梁的安全运营和保持耐久性,特提出以下几点建议,供维修养护单位参考:

(1)立即对问题吊杆进行更换,建议更换为耐久性更好的不锈钢丝吊杆或有测水、排水、强制干燥功能的智能吊杆。

(2)鉴于该桥目前阶段的工作状况,建议对该桥采取限速和限载措施,以保证在对桥梁进行加固前桥梁的使用安全。

(3)待吊杆更换完成后,定期对吊杆及锚头进行检查。

①上锚头主要检查锚头盖板与拱肋连接情况,看有无锈迹出现。若不确定,则采用冲击钻在盖板处开孔,判断上锚头锈蚀情况,若锚箱内部及锚头处存在锈蚀情况,则采取除锈措施,采用油漆重新涂刷防锈,并在锚头位置涂抹黄油保护。

②吊杆以表面日常检查为主,观察表面是否存在由于老化引起的环状微裂缝,有无严重开裂、破损。若PE防护套破损较为严重,则采用冲孔设备将防护套打开,观察内部预应力钢丝有无锈蚀。

③检查系杆与吊杆连接处防水罩是否存在锈蚀,内部减震橡胶圈是否老化,对防水罩重新涂油漆防锈,对老化橡胶圈进行更换。

④下锚头主要检查封锚混凝土处有无锈水渗出痕迹,若存在则建议将表层封锚混凝土打开,检查内部锚箱、锚头、钢丝墩头及内层钢丝的锈蚀状况。若锚箱内部及锚头处存在锈蚀情况,则采取除锈措施,采用油漆重新涂刷防锈,并在锚头位置涂抹黄油保护。

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吊杆拱桥 篇8

1 吊杆索力的计算原理与表达式

根据弦的振动理论应用动力学普遍原理可以建立均匀线密度的吊杆在无阻尼时的自由振动方程为:

式中:m为吊杆的线密度;x为横向位移函数;x为纵向坐标;t为时间;T为张拉力;EI为吊杆的抗弯刚度。该方程为一超越方程, 故采用它的简化模式求张拉力T的解析表达式。依据吊索的细长比、边界条件及拉索截面刚度组合情况建立了如下四个计算公式:

1.1 计算模型1

当拉索两端固结并考虑刚度时,

1.2 计算模型2

拉索两端铰接并考虑截面刚度时,

1.3 计算模型3

拉索两端固接不考虑截面刚度时,

1.4 计算模型4

拉索两端铰接不考虑截面刚度时,

2 吊索长度的修正

钢管混凝土拱桥的吊杆两端在构造上设置了刚性锚头, 与中间段的吊索相比锚固端特性完全发生了改变。索的质量、抗弯刚度等比中间段柔性索大, 从效果上讲相当于缩短了吊杆的动力长度。按照传统的计算方法得到的结果往往不能满足工程要求。受到现实条件的限制, 我们采用有限元模拟的方法对吊索进行建模分析。对于同一根吊索可以根据吊杆拱桥吊索的相关参数、边界条件, 建立不同长度下的模型。模型中的吊杆长度我们分别选取吊杆的实际值、经验公式的计算值和两者的平均值。在模型中输入同一个索力值, 便可以得出三个不同模型在吊索张拉工况下的各阶振动频率。将所得的三种基频进行比较, 选择最接近测试频率的基频模型的长度作为计算值。

3 应用实例

3.1 工程概况及吊杆基本参数

北塔大桥是一座中承式钢管混凝土拱桥。每跨桥上下游主拱吊杆各12根, 吊杆编号见图1, 由南桥头往北桥头依次排序。吊杆采用73丝φ7 (Ryb=1570MPa) , 长度为5.204~17.958m;采用高强钢丝外包不锈钢护套并灌注防护水泥砂浆, 锚具采用镦头锚。吊杆的线密度为22.1kg/m, 刚度约为122.5k Nm2。

3.2 试验方法与设备

索力测试时将传感器固定在测试的吊杆上, 给予吊杆一定的外力使吊杆自然振动。然后采用索力动测仪采集各吊杆的振动信号, 并通过频谱分析计算出吊杆的基频。本工程所采用的测试设备为长沙金码高科技实业有限公司生产的JMM-268索力动测仪。

3.3 测试结果与分析

根据吊索的横截面积和长度可以得到吊杆的长细比均小于15000, 故均采用模型二计算。根据现场测得的测试频率和各种计算长度模型下的基频, 选择合理的吊杆计算长度。将所得到的吊杆长度计算值带入计算模型二的计算公式中就可以得到修正后的计算值。现在将设计的理论值、没有修正吊杆长度的测试值和修正吊杆长度后的修正值分别计算出来结果见表1。由表1可以看到修正值的精度有了很大的提高, 吊杆索力的误差均在6%以内对于钢管混凝土吊杆拱桥而言已经能够满足工程实践的需要。

4 结论

通过测试结果可以看到, 根据长细比选择合理的模型并配以有限元方法对吊杆长度进行修正后得到的索力比以往的索力测试方法得到的结果要更加接近吊杆索力的真实值。

参考文献

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