系桿拱橋吊桿張拉調索方法的比選及實施

年福龍

（上海城投航道建設有限公司，上海市 2 00092）

系桿拱橋吊桿張拉調索方法的比選及實施

年福龍

（上海城投航道建設有限公司，上海市 2 00092）

以上海大蘆線二期航道整治橋梁工程的湖北橋系桿拱橋為例，對施工監控過程的吊桿張拉調索方法-基于影響矩陣法的分批張拉調索法與計算機控制的同步智能張拉調索法進行比選。采用傳統的吊桿分批張拉調索法，吊桿張拉力的計算量大，吊桿力誤差積累需要多次調整；而同步智能張拉調索法的吊桿力調整方便、控制精確，且張拉速度快。湖北碼頭橋的工程實踐證明，同步智能張拉調索法的優勢明確，值得類似工程的借鑒。

系桿拱橋；施工監控；吊桿力調整；影響矩陣法；同步智能張拉調索法

1 工程概況

湖北碼頭橋位于大治河西段，是上海市大蘆線航道整治二期工程跨航道橋梁工程中的一座橋梁。湖北碼頭橋南岸為規劃浦江港區，橋位處航道遠期設計面寬117 m，通航凈寬105.5 m、凈高7.0 m。主橋采用下承式系桿拱橋，主跨跨徑123 m，主橋長125.4 m、寬12.4 m。湖北碼頭橋主橋立面布置見圖1。

主橋拱肋系統由拱肋、風撐等構件組成；主拱豎直，立面矢高24.6 m，矢跨比f/L=1/5；兩側拱肋間設6道風撐。拱橋橋面系主梁為變截面鋼-混凝土結合梁結構；跨中全高2.5 m，支點處全高3.5 m；結合梁是主縱梁、中橫梁、端橫梁、小縱梁、挑臂組成的雙主梁梁格體系。吊桿順橋向間距8 m，每個吊點為單吊桿；全橋總共28根吊桿，中間吊桿采用12股Φs15.2環氧鋼絞線，端吊桿采用19股Φs15.2環氧鋼絞線。平衡拱肋推力的水平系桿索采用環氧鋼絞線，主梁每側主縱梁箱內各布置4根水平系桿，每根系桿由12股Φs15.2鋼絞線組成。

主橋鋼結構在工廠分段制作后運輸到現場，吊裝到橋位臨時支架進行拼裝，采用先梁后拱的施工方法。

在主橋的施工過程中，有效的施工監控工作非常重要，其中吊桿力的多次張拉調整與精度控制尤為關鍵；所以，必須對吊桿的張拉調索方法進行科學的比選，以確定最終實施的吊桿張拉調索方法。

2 系桿拱吊桿的張拉調索及方法比選

一般，系桿拱橋的吊桿分兩次張拉調索，第一次張拉是在吊桿安裝后，主梁支架還未拆除之前，該階段的力學狀態相對復雜，整個結構體系為非線性的（狀態非線性）。但是，考慮到吊桿在后續階段還需繼續張拉，因此通常情況下，假設一個張拉順序按照設計張拉力輸入到計算模型進行初步計算，主要考察吊桿張拉力和張拉順序是否會對結構造成不利影響、應力是否在可控范圍內；然后，再把試算后得到的吊桿力與張拉力的差值加到張拉力中再次進行試算；第一次張拉調索一般只試算兩次。

吊桿第二次張拉調索，主梁支架已拆除，結構體系基本形成后，后續結構逐步施加階段，此后結構的力學體系不會發生大的變化，而且結構處于線性狀態。作為成橋前最后的張拉力調整，就要求吊桿的實際索力與目標索力值基本一致。結構落架以后，采用千斤頂與索力測試儀對吊桿進行索力張拉調整時，影響矩陣法得到了廣泛的應用；并且，隨著工程實踐經驗的不斷積累，進行了有效的改進[2,3]。具體實施時，首先測定成橋后各吊桿的實際索力，記作[T0]，同時與設計所要求的索力[T]進行比較，得出各根吊桿所需的索力調整值[ΔT]，并根據以下計算公式可求出吊桿的張拉調整力：

式中：[A]為吊桿張拉力影響矩陣；[Ta]為吊桿的張拉調整力。求解方程（2）可得出需要調整的吊桿張拉力[Ta]。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

從影響矩陣法調整張拉力的計算公式可以看出，雖然結構確定，影響矩陣[A]也確定，但實際吊桿張拉力調整施工中是分階段進行的，也就是說[ΔT]在每個階段是不同的。式（1）和式（2）相當于按照調整力將吊桿一次調整到位，但這在施工中無法做到，實際施工時一般是一次調整一對或幾對，分次完成。

對于湖北碼頭橋來說，采用影響矩陣法進行吊桿張拉調索，施工時每次最多只能四根對稱吊桿一起張拉，全橋28根吊桿需要多次張拉，施工過程中人為張拉誤差等積累較多，根據實際索力測試結果可能需要多次調索計算，計算工作量非常大，且施工工期較長，施工過程需要來回拆裝千斤頂，安全風險也較大。

近年來，計算機控制技術在橋梁工程中的應用越來越多，例如橋梁的同步頂升、同步頂推的工程實例也越來越多，同步張拉在系桿拱橋換索中的應用也有文獻介紹。系桿拱橋吊桿的計算機控制同步張拉調索技術在工程中應用雖然不多，但其原理和同步頂升、同步頂推技術有共性，一般都是利用傳感器通過計算機系統對千斤頂油壓及其行程的控制，達到多個千斤頂按設定的目標值共同工作的目的。當然，在操作過程中，根據實際情況可進行人工干預操作。

根據吊桿張拉單位的一些類似工程的實踐經驗，湖北碼頭橋吊桿張拉若采用計算機控制的智能同步張拉調索技術，將有以下優點：

（1）全橋28根吊桿可以同時進行張拉調索，張拉速度快，施工天數可以縮小，且施工安全風險相比傳統的吊桿張拉調索工藝大大降低；

（2）無需進行大量的吊桿張拉調整力的計算，直接以施工階段設計張拉力為目標，張拉力控制準確，張拉過程中各吊桿力誤差較小；

（3）張拉千斤頂壓力傳感器與伸長量傳感器配合，張拉過程中張拉力與伸長量顯示均比較直觀，張拉過程智能化及可視化程度高，操作及控制方便；

（4）對主橋橋面標高的調整響應速度較快，以吊桿力調整標高較為方便；

（5）對張拉過程中出現的一些突變情況響應速度快；例如，張拉前后的溫度突變，如果不采用智能同步張拉調索，則調整不能及時反應，傳統的張拉調索方式只能增加調整的次數，延長施工時間。

綜合上述，吊桿張拉調索方法的比較見表1。

表1 吊桿張拉調索方法的比較

雖然吊桿智能同步張拉調索技術是一項新技術，在類似工程中的應用實例較少，但相比傳統的吊桿張拉調索技術，其優勢非常明顯；所以，湖北碼頭橋系桿拱橋吊桿的張拉調索采用了智能同步張拉調索技術，這也響應了在橋梁建設中應用與推廣新技術、新工藝的創新要求。

3 主橋吊桿的張拉調索實施過程

湖北碼頭橋主橋吊桿張拉調索采用全橋吊桿智能同步張拉調索技術，其吊桿張拉調索分兩次實施，即第一次的初張拉與第二次的終張拉。

3.1 吊桿第一次張拉調索

吊桿第一次張拉調索的工況為主橋鋼結構焊接安裝完成，主梁支架未拆，拱肋支架已經脫架，吊桿安裝完成時。

主橋吊桿于2016年3月8日進行第一次張拉調索，張拉時天氣陰有小雨，氣溫11度。第一次張拉每根吊桿的理論值均為160 kN。張拉平均分四級進行加載，每次加載到位持荷20 min。張拉開始于早上9：30，從開始張拉到張拉到理論值用時約2 h；張拉到理論值之后，對橋面標高進行了測量，根據標高測量結果分析，因標高調整及減少錨頭回縮影響的需要對部分吊桿進行了超張拉，張拉最大值不超過195 kN。張拉完成后，對每根吊桿的螺母進行旋緊。旋緊后，千斤頂回油，施工監控對張拉后的標高及吊桿力進行了測試，整個張拉過程沒有出現異常情況。主橋吊桿第一次張拉照片見圖2。

3.2 吊桿第二次張拉調索

圖2 湖北碼頭橋主橋吊桿第一次張拉照片

吊桿第二次張拉調索工況為主梁支架拆除，橋面混凝土橋面板鋪裝完成，濕接縫強度達到要求，水平系桿張拉后。

主橋吊桿第二次張拉調索開始于2016年5月4日下午3：00，張拉平均分四級進行加載，每次加載到位持荷20 min，下午6：00張拉到理論值。之后對橋面標高進行了測量，根據測量結果，對部分吊桿力進行了調整，此次張拉主要以標高控制為主，吊桿力控制為輔。因當天張拉到位后沒有進行及時錨固，第二天氣溫突變，張拉力與橋面標高的目標值受影響，施工監控重新對計算模型中的溫度參數進行了調整，對最終張拉力目標值也進行了調整，最終把吊桿力與橋面標高控制在一個合理范圍內。

4 主橋的主要監控結果

湖北碼頭橋主橋的吊桿張拉調索采用計算機控制的智能同步張拉調索技術，主橋施工監控過程獲得的一些主要結果與相應理論值的比較如下所述：

4.1 主橋結構考慮施工過程的總體分析模型

任何橋梁的施工監控均以橋梁結構理論分析得到的結果作為依據。一般，施工監控的結構分析以總體分析為基礎，但在分析模型中必須正確模擬擬定的每一個或關鍵的施工步驟，以便正確得到實橋的理論分析結果。

湖北碼頭橋主橋采用少支架的施工方案，施工監控的結構模型就考慮了支架的模擬。主橋結構施工過程的分析模型采用大型通用結構分析軟件Midas建立，結構模型見圖3。

圖3 主橋結構施工過程的總體分析模型

在圖3的結構模型中，總共劃分大約1 800個左右的單元，其中，吊桿采用桁架單元，橋面板采用板單元，其它結構構件采用梁單元。

在具體的計算分析過程中，根據施工步驟，利用Midas的單元激活與鈍化功能模擬各個施工過程，并施加各個施工階段的施工荷載；模型總共劃分了11個施工階段。

4.2 一些主要的監控結果

由于文章篇幅所限，這里以吊桿第二次張拉調索得到的主橋監控結果為例，將監控得到的實測結果與相應的理論值進行比較，以驗證湖北碼頭橋主橋吊桿采用計算機控制的智能同步張拉調索技術的有效性。

吊桿第二次張拉調索后，主橋各根吊桿的實測值與理論值的比較見表2；主橋橋面實測值與理論值的比較見表3。

表2 吊桿第二次張拉調索后的吊桿力 kN

表3 吊桿第二次張拉調索后的橋面標高 m

表2、表3中，吊桿的編號從小里程到大里程依次編號；表中理論值由4.1節所述的結構總體分析模型計算得到；表2中，1號、14號吊桿為全橋最短吊桿，采用環境隨機振動法測試吊桿，受長度的限制，振動不明顯，吊桿力無法測出。

由表2中的數據可以得到，與理論計算得到的目標索力相比，近跨中吊桿力誤差基本控制在6%以內，部分短吊桿因橋面標高調整的需要，對吊桿力進行了微調，最大差值9.5%，出現在西側第二根吊桿。由表3中的數據可得，吊桿第二次張拉調索后，橋面標高與理論值相比，最大差值為0.023 m，出現在西側第4號吊桿位置，其余各點差值均小于該值。

綜上所述，主橋吊桿第二次張拉調索結束后，橋面板澆筑面標高誤差控制在23 mm以下，吊桿力誤差控制在10%以內，達到了施工監控精度控制的要求。

5 結語

目前，湖北碼頭橋主橋已經建成，成橋后的主橋照片見圖4。

圖4 建成后的湖北碼頭橋主橋照片

相比傳統的吊桿張拉調索方法，基于計算機控制的全橋智能同步張拉調索技術有十分明顯的優勢。湖北碼頭橋主橋施工監控吊桿張拉調索采用這種新工藝、新技術取得了成功，主橋吊桿力與橋面標高控制均達到了施工監控精度控制的要求，也縮短了施工時間，降低了吊桿張拉施工過程的安全風險，取得了一定的綜合經濟效益，并可為其它類似工程提供有價值的借鑒。

[1]方鴻,高瓊.影響矩陣法在系桿拱橋施工調索中的應用[J].中外公路,2014,34(6):146-148.

[2]邢煜,苗永慧.基于影響矩陣法的系桿拱橋合理成橋吊桿張拉力的確定[J].現代交通技術,2016,13(1):45-47.

[3]李杰,陳淮,江瑩瑩,等.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力計算及調索方法研究[J].鐵道建筑,2014(1):7-10.

[4]陳軍,周松國,鄭煒靈.系桿拱橋PLC同步張拉更換吊桿施工技術[J].城市道橋與防洪,2016(6):221-224.

U448.22+5

B

1009-7716（2017）01-0103-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.030

2016-10-26

年福龍（1964-），男，安徽宿具人，高級工程師，從事工程項目管理工作。