大跨度連續鋼管拱橋吊桿的安裝施工技術

中鐵六局集團建筑安裝工程有限公司 太原 030045

1 工程概況

太北跨北同蒲鐵路特大橋梁拱組合橋（圖1）連續梁跨度組成為（73.9+148+128+148+73.9）m，其中三聯跨鋼管混凝土拱兩側次邊跨計算跨度148.0 m，設計矢高29.6 m，矢跨比1∶5，拱軸線采用二次拋物線；中跨計算跨度128.0 m，設計矢高25.6 m，矢跨比1∶5，拱軸線采用二次拋物線。全橋共有6榀鋼管混凝土拱，拱肋采用等高度啞鈴形截面，拱肋截面高度為3.0 m，拱肋弦管采用φ1.0 m×16 mm鋼管，弦管之間用厚16 mm的綴板連接，2榀拱肋橫向中心距14.0 m；每榀拱肋設置17根吊桿，次邊跨的吊桿間距為7.4 m，中跨的吊桿間距為6.4 m，吊桿采用PES（DF）7-91型低應力防腐拉索（平行鋼絲束），外套復合不銹鋼管，配套使用LZM7-91型冷鑄墩頭錨；吊桿采用單端張拉，上端置于拱肋內部，下端錨于吊點橫梁，吊桿張拉端設在梁底。全橋采用先梁后拱施工方法，即：下部結構施工→梁體混凝土澆筑→鋼管拱拱肋制作及安裝→鋼管混凝土澆筑→吊桿安裝及張拉→橋面系施工→吊桿索力調整。吊桿的張拉施工為其關鍵工序，如何確保吊桿索力滿足設計及規范要求尤為重要，其不但影響到整橋的線形控制，也直接影響到施工工期及施工成本[1,2]。

2 吊桿安裝及張拉

2.1 總體施工方法

圖1 鋼管混凝土拱橋

吊桿根據現場實測長度在工廠內制作成成品索，利用橋位上的汽車吊安裝吊桿，上端冷鑄錨頭穿過上錨箱球型支座卡緊后，使用螺母鎖緊，下端穿過下錨箱索道管后，利用專用的張拉設備進行對稱張拉，多次張拉后達到設計值。施工工藝流程如下：施工準備→吊桿安裝→安裝吊桿固定端的墊圈、螺母→安裝吊桿張拉端的墊圈、螺母→調試張拉設備、檢查→安裝張拉設備、電源及油路→吊桿分級張拉→吊桿對稱張拉到位、擰緊螺母→吊桿固定端、張拉端防護處理。

2.2 施工準備

1）通過全站儀、鋼尺對吊桿長度進行測量，確保測量長度和安裝現場實際長度保持一致。

2）對現場安裝吊桿的機械設備進行進場檢查，設備及操作人員的相關證照必須齊全。

3）對進場的吊桿進行驗收，確保吊桿外部PE護套無損壞，錨具絲扣無損傷，吊桿的加工長度與技術部門提供的長度一致，標識標記齊全無誤。

2.3 吊桿安裝

2.3.1 展索

本項目在橋面上進行展索作業，將索架平放，利用汽車吊牽引以完成放索，為便于放索，將索架設計成圓盤結構，由上下底盤構成，之間設軸承和滾珠。

2.3.2 吊桿連接結構

吊桿提升牽引采用汽車吊，吊桿非張拉端錨具內有細扣，拆除端部蓋后，汽車吊掛鉤、鋼絲繩與吊桿間用特制連接頭（專用補心卸扣）連接（圖2），索體外的保護材料不拆除，以保證吊桿在提升及穿索過程中不受到破壞。

圖2 特制連接頭示意

2.3.3 吊桿安裝

此階段作業內容涉及的區域廣，安全系數較大，作業時須掌握以下要點：

1）需根據張拉端錨杯質量在其所處直徑的另一端加配相同質量鐵塊以平衡力矩，使得索盤能勻速轉動。

2）在橋面上進行展索及安裝過程中，可設置相應的柔軟物件，防止對索體造成破壞。

3）吊桿安裝從上錨箱下穿至下錨箱，固定端就位后進行緊固，張拉段錨具穿過下錨箱后進行臨時固定，待張拉完成后進行固結。

4）各作業點實施人員須統一步調，遇到緊急情況及時作出正確的反應。

5）起重設備應符合行業規范，應具有充足的安全系數，防止墜物或傾覆。

2.4 吊桿張拉

本橋吊桿張拉端在連續梁翼緣下橫梁處，為梁下張拉，張拉時從橋面處設置吊籃（固定于擋砟墻鋼筋上），人和張拉設備（張拉撐腳、穿心千斤頂等）放在吊籃內進行張拉作業。

2.4.1 張拉順序

根據設計要求，吊桿張拉順序為先次邊跨后中跨，每跨張拉時按照吊桿編號順序進行。

吊桿完成第1次張拉后，張拉系梁第2批縱向預應力束，橋面二期荷載施工完成后，最后一次調整系桿內力至設計要求值。由于結構實際的剛度較理論計算大，且拉索承載力較大，在施加二期恒載時吊桿力增量一般小于理論值，故可適當加大索力（本項目每根索加大30 kN）。

2.4.2 張拉施工

橋面荷載先通過梁體傳給吊桿，再傳遞給拱肋，最后傳到橋墩上。由于吊桿不同的施工加載順序會影響吊桿的受力均勻性，局部吊桿索力增大，彈性變形過大會造成梁體出現裂縫。故吊桿張拉時，采用4套張拉設備同時進行，根據設計提供的張拉力進行分段張拉，張拉時需監控橋面、拱肋的變形情況，嚴格控制系桿的內力和伸長量，應力和伸長量的偏差不得超過規范設計要求，發生異常應停止張拉；張拉設備在未張拉前空載活動2個行程，確保張拉過程中順利進行；當達到設計、監測要求后，穩住油壓，旋緊錨圈，使錨圈與錨墊板充分結合，而后卸除油壓完成張拉作業[3-5]。

2.5 吊桿固定端及張拉端的防護處理

按照設計要求，在固定端內部充填防腐油漆，安裝固定端防護鋼板；安裝張拉端的減振器、密封裝置、防護罩，在防護罩內充填防腐油脂。

2.6 施工控制要點

1）在吊桿的運輸和安裝過程中，注意保護吊桿的PE外防護層。吊桿在搬運和安裝過程中嚴禁在地面上拖動；桿在穿過預埋管時速度要慢，保證順利通過。

2）張拉時應對稱張拉，必須按照設計要求進行逐一張拉。

3）張拉要嚴格按照要求進行操作，張拉過程中出現異常現象時，應停止施工，并及時報請現場監理和設計，待查明原因后方可繼續施工。

4）張拉油泵設置在橋面上，油泵操作人員應與混凝土底部張拉吊籃中的施工人員協調一致。

5）張拉操作必須平穩、逐級、對稱進行，并做好張拉記錄。

3 吊桿索力監測

3.1 索力監測的必要性

吊桿是鋼管混凝土拱橋中最重要的承載構件，是橋梁的“生命線”，它的安全性、耐久性決定著橋梁主體的承載能力和結構安全。

吊桿的受力狀態是橋梁安全與正常使用的重要指標，監測吊桿的索力對于及時反映它們的工作狀態和調整其結構內力是極為重要的。應力松弛、主梁混凝土的收縮徐變、拱肋變形、氣候的變化等許多因素，都會對整個橋梁結構產生影響。

在施工和成橋后的正常使用過程中，存在各種誤差和偶然因素的聯合作用，使結構內力和線形偏離正常狀態，需要掌握關鍵的索力信息進行監控和調整，以保證橋梁安全。

因此及時監測吊桿的受力狀態是橋梁健康監測的重要內容。通過索力測量，可以作為橋梁施工監控、成橋試驗的重要依據，吊桿的荷載響應情況和歷史變化趨勢曲線可作為分析吊桿是否處于正常運營狀態及橋梁主體結構是否安全的一個重要依據。

3.2 索力監測傳感器技術的選擇

按照設計要求，需要在吊桿上安裝檢測裝置，通過技術對比，選擇了磁通量傳感器技術為吊桿索力進行長期監測，它能夠滿足吊桿索力長期監測的技術要求，一是傳感器的長期精度；二是傳感器的使用壽命。磁通量傳感器與其他壓力傳感器技術相比，較好地解決了以下問題：通過非接觸式測量解決傳感器受力疲勞問題；用模擬標定來實現運營過程中的數據校準；更換損壞的傳感器時，采用哈弗式設計直接在已受力的拉索上制作及安裝，在不影響橋梁運營的前提下實現替代。

3.2.1 磁通量傳感器技術

磁通量傳感器基于拉索的磁彈效應工作，當拉索受到荷載作用時，內應力發生變化，引起拉索內部的磁場發生變化，故可通過測量拉索的磁導率變化來得到相應的索力。

磁通量傳感器結構如圖3所示，主要由初級線圈和次級線圈構成，內置溫度傳感器用于溫度補償。磁通量測試系統如圖4所示，主要由傳感器和磁彈儀組成，便攜式磁彈儀自身帶有操作平臺及LCD顯示器，能實現多通道測量，可直接操作讀數，也可通過儀器上的通信接口與計算機系統相連，實現數據自動采集及遠程監控。

圖3 磁通量傳感器結構示意

圖4 監測系統組成示意

3.2.2 磁通量傳感器的技術特點

1）非接觸性測量，不損傷結構；

2）傳感器維護方便、使用壽命長；

3）測量精度高、重復性好；

4）可實現自動溫度補償，可組建在線監測系統。

3.3 吊桿索力監測配置

根據本工程大跨度連續梁三聯跨鋼管混凝土拱橋的結構特點，考慮吊桿索力監測實現方式在本工程實際中的適用性、可行性、經濟性，最終實施以下索力監測方案：

1）全橋102根吊桿全部安裝磁通量傳感器，索體規格為PES（DF）7-91，適配傳感器型號為CCT100，數量102臺。

2）每跨拱肋下設置1個數據采集站，集成該跨拱肋吊桿上的傳感器信號，跨全橋共設置3個多通道數據采集站。

3）傳感器與相應的數據采集站用數據線連接，數據線用線槽進行布線及保護。傳感器安裝在吊桿的張拉端。

4）全橋配套磁彈儀1臺，用人工方式使用筆記本電腦逐個與數據采集站接駁進行索力數據采集。

3.4 吊桿索力監測實施的效果

在太北跨北同蒲鐵路特大橋連續梁三聯跨鋼管混凝土拱橋施工中，通過磁通量傳感器進行索力監測，有效收集索力數據，經分析、驗算，在連續梁梁面附屬設施施工后的索力調整實施時，一次張拉合格率為97%，索力偏差符合國家相關規范要求，有效縮短了吊桿施工工期，降低了施工中的機械設備租賃費用。

4 結語

本工程施工技術適用于拱橋吊桿安裝監測作業，可應用于張弦梁、索塔、預應力施加等結構領域中，應用市場廣泛；該施工工藝通過工程應用實踐，施工過程始終處于受控狀態，吊桿索力和橋梁的線形均滿足設計要求，安全可靠性高，經濟實用性強，切實解決了大跨度吊桿安裝、張拉、應力監測等難題，對于類似的工程具有較強的參考價值[6,7]。