系桿拱橋吊桿張拉優化與張拉力調整關鍵技術研究

孫中洋 柯鵬 孟旭

招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，中國·重慶 400067

論文以跨越赤水河大橋上的某座主跨110m的鋼箱梁系桿拱橋為工程背景，依據圖紙、施工組織方案及類似橋梁的施工經驗，將本橋吊桿力張拉分次張拉成橋優化為一次張拉成橋，對各施工階段的結構變形、結構應力及吊桿力影響均在允許范圍內，并提出了通過模擬計算吊桿力與設計成橋吊桿力的不同偏差百分比范圍，來選取不同的影響因子來修正初次初拉力的方法進行迭代計算吊桿初拉力，為同類型橋梁吊桿張拉優化及張拉力調整提供可靠的依據。

系桿拱橋；吊桿張拉優化；吊桿力迭代調整；范圍影響因子

1 引言

論文以跨越赤水河大橋上的某座主跨110m 的鋼箱梁系桿拱橋為工程背景，橋梁孔跨布置為1-20m 預應力鋼筋砼箱梁+1-110m 鋼箱梁系桿拱橋。橋梁全長為145.96m，橋寬16.5m；橋梁平面布置與河道正交，按直橋設計。主橋拱圈結構采用箱型截面，主梁為鋼箱梁，以鋼箱梁作為系桿使結構形成無推力系桿拱橋，拱圈吊索下端錨固鋼箱梁底板處。

2 研究主要內容

根據系桿拱橋設計圖紙及實施性施工組織設計中的施工流程，結合以往類似橋梁的施工經驗，對本橋的施工順序進行適當調整優化，將系桿拱橋吊桿張拉由原來的兩次張拉工藝，優化為現在的一次張拉工藝，以節約工期，減少成本，提出施工階段及成橋階張拉力調整的有限迭代方法，保證成橋后吊桿力能滿足設計要求[1]。給出按照調整優化施工順序后的計算結果，形成以下成果資料文件：①吊桿力一次張拉順序及優化后的一次張拉力；②提供分次張拉、一次張拉施工階段各控制參數計算結果；③成橋后吊桿力測量及張拉力調整迭代方法分析，并提供關鍵位置計算成果。

3 結構計算模型及參數選取

全橋結構計算分析采用有限元程序MIDAS/Civil。根據《橋梁設計圖紙》《橋梁實施性施工組織設計》等中的結構布置、結構尺寸及實際制作線形等，將全橋結構離散成243個節點、237 個單元，其中吊桿采用只受拉單元模擬，其余均采用梁單元模擬。全橋計算模型見圖1。模型中沿橋縱向為X 軸，豎向為Z 軸，橫橋向為Y 軸。

圖1 全橋計算模型

4 施工階段吊桿張拉優化

本橋的原設計主要施工工序為下部結構的施工及鋼棧橋的搭設、一般鋼箱梁的吊裝、端橫梁的吊裝、拱肋支架的安裝、拱肋節段吊裝、拆除拱肋支架、安裝并初張拉吊桿、拆除鋼棧橋、二次張拉吊桿、橋面附屬結構的施工等。結合以往類似橋梁的施工經驗，對本橋的施工順序進行適當調整優化，將系桿拱橋吊桿張拉由原來的兩次張拉工藝，優化為現在的一次張拉工藝，以節約工期，減少成本，優化前后的施工工序見表1。

表1 優化前后施工工序對比表

4.1 吊桿力計算結果

分別按照優化前（吊桿分兩次張拉成橋）、優化后（吊桿一次張拉成橋）施工工序對該橋進行模擬計算分析，計算結果見表2。從表可以看出，吊桿分次張拉與一次張拉成橋模型計算吊桿力與設計的成橋吊桿力相差均較小，其中吊桿分次張拉最大偏差為3.53，一次張拉最大偏差為1.75%。

表2 成橋吊桿力計算結果（單位：kN）

4.2 成橋階段關鍵截面位移

從表3可以看出，吊桿分次張拉與一次張拉成橋鋼箱梁、拱肋關鍵截面變形值絕對值相差較小，最大僅為11.1mm，一次張拉成橋后整體變形值偏小。

表3 成橋節段關鍵截面位移（單位：mm）

4.3 成橋階段關鍵截面應力

鋼箱梁及拱肋各個施工階段的關鍵截面上下緣應力計算結果分別見表4、表5，可以看出吊桿分次張拉與一次張拉成橋時主拱肋關鍵截面應力基本一致，絕對值最大差值為1.6MPa，鋼箱梁跨中位置應力相差較大，絕對最大值為3.9MPa，鋼箱梁與主拱肋關鍵截面應力吻合性較好，應力絕對偏差小，能滿足施工及設計要求。

表4 成橋階段鋼箱梁關鍵截面應力（單位：MPa，拉為正）

表5 成橋階段主拱肋關鍵截面應力（單位：MPa，拉為正）

5 吊桿初拉力獲取與調整

5.1 吊桿初拉力初值獲取

吊桿初拉力初值獲取從以下幾個步驟獲得：

①按照優化后的吊桿一次張拉成橋施工逆順序，建立橋梁倒拆模型，獲得第一組吊桿初拉力；

②建立優化后施工順序的正裝模型，代入第一組吊桿初拉力進行模擬計算分析；

③得到第一組成橋吊桿力，計算與設計成橋吊桿力偏差，通過不同的偏差百分比來定義影響系數，修正第一組吊桿初拉力，重新進入優化后施工順序的正裝模型，直至模型成橋計算吊桿力與設計偏差滿足要求[2]。

5.2 吊桿初拉力迭代調整

為方便吊桿初拉力的調整及計算，引入偏差范圍影響因子的概念，即通過模擬計算吊桿力與設計成橋吊桿力的不同偏差百分比范圍，來選取不同的影響因子來修正本次初拉力，獲得下一次的吊桿張拉力代入正裝模型計算，直至計算吊桿力與設計偏差滿足要求，此時的吊桿力即為調整后吊桿一次初拉力，同時復核計算橋梁結構的各施工階段的變形及應力狀態[3]。

計算公式如下：

其中，Pm為模型計算成橋吊桿力；Ps為設計成橋吊桿力；Fi為本次計算采用吊桿初拉力；Fi+1為下次計算采用吊桿初拉力；δ 為偏差范圍，；k為偏差范圍影響因子，參見表6。

表6 偏差范圍與影響因子對照表

6 成橋吊桿力量測與優化調整

6.1 成橋吊桿力的量測

目前索力測試方法主要有油壓表讀數法、壓力傳感器直接測定法、磁通量法、自振頻率法等方法。自振頻率法因其費用低，操作簡便，可對張拉后拉索進行反復校核測量，因而在工程實踐中具有較強的優勢[4]。本橋采用自振頻率法與油壓表讀數法相結合的方式，對本橋吊桿力進行測試。方法如下：

①頻率法計算吊桿力的邊界條件的選擇，短吊索（8#-13#吊桿）采用兩端均為固結邊界，其余吊桿（1#-7#吊桿）采用兩端鉸接邊界，均不考慮吊桿抗彎剛度；

②施工階段千斤頂張拉吊桿過程中，同步進行吊桿力的頻率法測量，以千斤頂油壓讀數為準，完成頻率法測量中吊桿有效計算長度的修正，其中吊桿線密度參照設計值、頻率采用實測值；

③采用修正后的吊桿有效長度完成后續施工階段吊桿力的監測；

④針對部分有安裝外置式阻尼器要求的吊桿，應注意阻尼器安裝前后的吊桿有效計算長度的修正。

6.2 成橋吊桿力的優化調整

成橋后由于施工偏差、環境溫度等因素的影響，會導致實際成橋后吊桿力與設計成橋吊桿力、模型計算吊桿力有較大的偏差，需要進一步對全橋的吊桿力進行調整。這里同樣采用有限迭代的方式繼續調整，可以參照初拉力獲取的方式進行。本橋吊桿力調整，參數選取的是梁單元溫度變化的方式來實現，在有限元模型中模擬調索順序及每個需調整吊桿的溫度變化量，最后換算成吊桿的長度變化量，提供給施工單位，以方便現場的吊桿的張拉控制[5]。

7 結語

①按照分次吊桿力張拉計算結果與吊桿一次張拉計算結的對比，各施工階段的結構變形和結構應力及吊桿力差異均在正常范圍內，成橋后的結構應力、變形及吊桿力也與設計值接近。為便于施工，并縮短工期，同類型跨徑及以下跨徑系桿拱橋吊桿張拉可采用一次張拉進行施工。

②同類型系桿拱橋吊桿力初拉力獲取、成橋吊桿力調整，可以引入偏差范圍影響因子進行有限迭代調整，對于吊桿數量少及主梁剛度大的系桿拱橋效果較好。