某鋼管混凝土系桿拱橋的吊桿張拉施工監(jiān)控分析研究

黃英軍，徐立強

（1.廣東中天市政工程設(shè)計有限公司，廣東佛山 525820；2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

鋼管混凝土系桿拱橋以其跨度大、結(jié)構(gòu)輕、造型美、省建材等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)。但該橋型技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，已經(jīng)暴露和潛在的問題還很多，亟待廣大工程技術(shù)人 員在實踐中不斷探討和完善[1，2]。本文將結(jié)合工程實踐就吊桿力張拉監(jiān)控的問題做簡要闡述。橋梁施工監(jiān)控是保證橋梁建設(shè)安全可靠的重要環(huán)節(jié)。系桿拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工工序多,尤其是吊桿張拉過程中不確定因素多，對施工的要求較高[2，3]。

1 工程實例

1.1 工程簡介

某跨河橋全線橋跨布置為：（2×10.901）m鋼筋混凝土變寬箱梁+（3×22+21+22）m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板+60 m鋼管混凝土系桿拱+（5×22）m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板+（2×11.294）m鋼筋混凝土變寬箱梁。主橋上部為下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿鋼管拱，拱肋軸線為拋物線，計算跨徑l=58 m，計算矢高f=11.6 m。主橋系梁及橫梁采用現(xiàn)場澆注；管內(nèi)混凝土采用從拱腳向拱頂連續(xù)泵送的施工技術(shù)。主橋有限元模型見圖1。

1.2 施工方法及順序

圖1 主橋有限元模型圖

吊桿張拉是常見系桿拱橋施工的重要步驟，對拱橋的施工質(zhì)量有很大的影響。因此，如何制定合理的張拉順序及方案，應(yīng)當(dāng)盡可能減小張拉次數(shù)[4-6]。現(xiàn)場可投入6套張拉設(shè)備（可提供1500 kN以內(nèi)的張拉力），同時對2組（共計6根吊桿）張拉。吊桿編號原則為從左至右分別為1#～10#。吊桿分兩階段張拉（分別為吊桿一張和吊桿二張）。吊桿一張采用2次張拉（1#和10#吊桿除外），吊桿二張為1次張拉。吊桿一張結(jié)束后需進行吊桿張拉力測量，若和理論值相符，則表明可進行橋面鋪裝等施工工序，若不滿足相關(guān)要求則需查明原因，處理完畢后方可施工。吊桿一張及吊桿二張的張拉順序為：3#&8#→5#&6#→2#&9#→4#&7#→1#&10#→4#&7#→2#&9#→5#&6#→3#&8#。

2 施工仿真計算

2.1 仿真計算的基本原則

張拉過程中理論計算對指導(dǎo)施工方案、及保證工程質(zhì)量方面有很重要的作用。本工程張拉過程中應(yīng)對張拉工況進行的模擬，并及時根據(jù)監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù)信息及時調(diào)整，以便科學(xué)準(zhǔn)確地指導(dǎo)施工。本計算采用MIDAS CIVIL有限元計算軟件，理論的計算原則如下：

（1）吊桿一張及吊桿二張要滿足設(shè)計單位提供的吊桿力；

（2）理論計算過程中采用的分項系數(shù)均為1.0；

（3）鋼管混凝土拱肋采用施工階段聯(lián)合截面進行分析；

（4）吊桿伸長量要協(xié)調(diào)，不容許出現(xiàn)個別吊桿伸長量過長；

（5）由于橋面上施工器械分布不均勻且無規(guī)律可循，理論模擬計算過程中不對施工機械進行仿真（張拉過程中對無關(guān)施工機械要清出橋面）。

2.2 計算數(shù)據(jù)匯總

吊桿內(nèi)力在一張過程中，依據(jù)參考文獻[1]中的“倒裝法”，計算出吊桿力后，采用相反的順序進行正裝可計算出張拉階段過程中吊桿力的變化情況。對于吊桿一張到吊桿二張過程中的理論計算，采用參考文獻[6]剛度影響矩陣計算出所施加的吊桿力。吊桿力的大小見表1（6#～8#吊桿與1～5對稱，僅示意一半，且括號外為吊桿一張的數(shù)據(jù)，括號內(nèi)的為吊桿二張的數(shù)據(jù)。）

表1 主橋吊桿力匯總（單位：kN）

3 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 吊桿力監(jiān)控原理

索力采用壓力傳感器及頻率式索力儀進行測量。頻率式索力儀通過測定拉索的振動頻率按修正的振弦計算公式計算拉索的拉力。索力測定的理論基礎(chǔ)是弦振動理論，張緊的拉索，并考慮其抗彎剛度，其動力平衡方程為：

式中：y——橫向坐標(biāo)（垂直于索的長度方向）；

x——縱向坐標(biāo)（沿索的長度方向）；

w——單位索長的重量；

g——重力加速度；

T——索的張力；

t——時間；

EI——索的抗彎剛度。

假定索的兩端是鉸結(jié)的，則式（1）的解為：

式中：fn——索的第n階頻率；

l——索長；

n——振動階數(shù)。

對于某一確定的索，式（2）右邊的w、l、g都是已知的，如果能確定fn，并確定相應(yīng)的n，便可求得索力T。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)比較分析

由于本橋施工過程中，吊桿一張后系梁等構(gòu)件未完全脫模，經(jīng)現(xiàn)場分析后采用強制脫模，并檢查應(yīng)力及橋梁線形等，均滿足設(shè)計要求，因此進一步施工橋面附屬結(jié)構(gòu)，施工橋面鋪裝等。附屬設(shè)施施工后測得個別吊桿力與設(shè)計值相差較大，具體數(shù)值見圖2、圖3。

圖2 吊桿一張中吊桿力理論值及實測值對比圖（單位：kN）

圖3 吊桿一張邊吊桿力理論值及實測值對比圖（單位：kN）

從圖2、圖3中可以看出：邊拱肋中3#～8#吊桿內(nèi)力和成橋后的吊桿內(nèi)力相差很小，而邊拱肋短吊桿的內(nèi)力相差較大（短吊桿較難精準(zhǔn)測量其數(shù)據(jù)）；中拱肋吊桿內(nèi)力均小于成橋后內(nèi)力，需要進一步補張。出現(xiàn)這種情況的主要原因是由于，邊拱肋的防撞護欄沒有被鑿除，而中拱肋上的防撞護欄已鑿除。經(jīng)過計算以及上述測量結(jié)果可以看出，張拉吊桿時，邊吊桿和中吊桿相互影響很小，可以忽略不計。因此，指定吊桿二張的張拉總體方案如下：

（1）利用文獻 [6]所示的方法，利用剛度矩陣求解補充的張拉力。

（2）短吊桿的內(nèi)力可以通過油壓表讀數(shù)最終控制。在張拉短吊桿過程中應(yīng)適當(dāng)加強監(jiān)控相鄰中長吊桿內(nèi)力的測量頻率。

（3）張拉完畢后，若個別吊桿內(nèi)力和設(shè)計值有出入時，可以適當(dāng)補張個別吊桿以達到設(shè)計要求。

經(jīng)上述計算原則確定張拉方案進行張拉，調(diào)整后的吊桿力見圖4、圖5，其中1#、2#、9#和10#等短吊桿是由油壓表讀數(shù)控制吊桿力。因此，相對誤差理論上講是零。

圖4 吊桿二張中吊桿力理論值及實測值對比圖（單位：kN）

圖5 吊桿二張邊吊桿力理論值及實測值對比圖（單位：kN）

4 小結(jié)

根據(jù)以上的分析，類似拱橋吊桿張拉施工時，總結(jié)出以下結(jié)論。

（1）鑒于短吊桿（長度小于5 m）內(nèi)力測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)偏差較大，吊桿力可由油壓表數(shù)據(jù)直接讀出（不采用測頻率的方法）。

（2）對鋼管混凝土系桿拱橋吊桿受力復(fù)雜，在張拉前應(yīng)做詳盡的計算分析，為施工監(jiān)控提供理論依據(jù)。

（3）根據(jù)現(xiàn)場施工能力制定合理的張拉順序，且實測吊桿力與理論計算偏差較大時，應(yīng)立即停止張拉找出原因并經(jīng)處理后方可進一步張拉。

[1]顧安邦，張永水.橋梁施工監(jiān)測與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]陳久恒.飛燕式鋼管混凝土拱橋系桿與吊桿施工分析與控制[J].國防交通工程與技術(shù)，2010（2）：51-53.

[3]于琦,孟少平.系桿拱橋張拉控制有限元模擬方法研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2008（3）：88-91.

[4]彭宣茂.系桿拱橋吊桿初始張拉力的計算方法 [J].水利水電科技進展，2000（12）：32-33.

[5]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制 [M].北京：人民交通出版社,2000.

[6]李新平，鐘健聰.空間系桿拱橋吊桿張拉控制分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（7）：89-92.