拱橋吊桿更換施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究

郭 俊，胡 寧，崔 鑫

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 200032；2.上海滬杭路橋?qū)崢I(yè)有限公司，上海市 201600）

0 引言

自20 世紀(jì)八九十年代起，我國興建了大量中承式系桿拱橋。中承式系桿拱橋整體受力體系復(fù)雜，其中的吊桿既作為拱橋結(jié)構(gòu)受力的重要傳導(dǎo)構(gòu)件，亦是極易受到外部環(huán)境侵害的部位[1]。在長期反復(fù)荷載作用下，吊桿極易發(fā)生疲勞性損壞；同時在外部環(huán)境作用下，吊桿還易因外部防護(hù)裝置不當(dāng)或破損使得腐蝕性介質(zhì)進(jìn)一步侵蝕到其體系內(nèi)部，進(jìn)而引起更嚴(yán)重的損傷。改革開放以來修建的大部分系桿拱橋的吊桿使用年限已逼近極限，而吊桿更換技術(shù)仍處于相對不成熟的探索階段，加之國內(nèi)各種新材料、新技術(shù)、新工藝的逐步推行，結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜的系桿拱橋?qū)映霾桓F，因而亟需積累大量相關(guān)拱橋吊桿更換的技術(shù)經(jīng)驗或資料，以便形成一套完善的施工指導(dǎo)體系[2]。因此，對中承式拱橋的吊桿更換技術(shù)以及施工監(jiān)控進(jìn)行研究有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

1 工程背景

某飛鳥式中承式鋼管混凝土系桿拱橋跨徑為85.0 m，主拱圈矢跨比1/3.5，拱軸線形式為懸連線，拱軸系數(shù)為1.3，邊跨標(biāo)準(zhǔn)跨徑為25.15 m，拱軸線形式為圓曲線，半徑R=39.854 m。主橋共設(shè)置2 根系桿和2 條縱肋，行車道橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，縱向間距按4.0 m 布置；橫向T 梁截面尺寸：0.5 m（肋寬）×（1.5～1.67）m（梁高）。行車道板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)制板厚18 cm，現(xiàn)澆板厚15 cm。

吊桿采用成品索，為PES（FD）5-121 熱擠聚乙烯拉索，PESM 5-163 冷鑄墩頭錨固體系，拱肋端作張拉端，行車道橫梁端作固定端。吊桿為平行垂直布置的平面索，吊桿全橋共16 對，標(biāo)準(zhǔn)索距為4 m。主橋縱、橫斷面圖見圖1、圖2。

圖1 拱橋縱斷面圖（單位：cm）

圖2 拱橋橫斷面圖（單位：cm）

該橋現(xiàn)場檢測結(jié)果表明：吊桿索力測試值與設(shè)計值偏差較大；大部分吊桿上錨頭護(hù)套均銹蝕，下錨頭封錨處均滲水銹蝕且護(hù)套破損嚴(yán)重。依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H 21—2011），全橋技術(shù)狀況評為4 類。現(xiàn)場吊桿主要病害見圖3、圖4。

圖3 吊桿上錨頭護(hù)套銹蝕

圖4 吊桿下錨頭封錨處滲水

基于檢測結(jié)果，擬對主橋共計32 根吊桿（X1～X16、D1～D16）進(jìn)行更換。按照從南至北進(jìn)行編碼，D 代表東側(cè)吊桿，X 代表西側(cè)吊桿，其中D1 代表東側(cè)拱南側(cè)方向第1 根吊桿，以此類推。換索順序見圖5。

圖5 換索施工示意圖

2 施工監(jiān)控思路

2.1 施工工藝

主橋吊桿更換方案擬采用臨時吊桿系統(tǒng)，該方案需在拱上和梁上設(shè)置鋼橫梁兜吊系統(tǒng)[3]。吊桿更換從最短的1#、16# 吊桿開始，成對由兩端向中央對稱更換，東西拱肋同編號吊桿依次交錯施工；臨時吊桿系統(tǒng)共計4 組，根據(jù)施工部位逐處移動使用。

吊桿更換施工過程主要分為2 個內(nèi)力轉(zhuǎn)換階段：第1 階段為臨時吊桿張拉、舊吊桿卸載；第2 階段為新吊桿張拉、臨時吊桿卸載。

2.2 施工監(jiān)控思路

為保證吊桿更換過程中主橋結(jié)構(gòu)受力體系始終處于安全狀態(tài)，更換完成后各項指標(biāo)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和設(shè)計要求，需全程對吊桿更換進(jìn)行監(jiān)控[4]。施工監(jiān)控過程應(yīng)針對誤差進(jìn)行有效修正，具體按：施工→量測→判斷→修正→預(yù)告→施工進(jìn)行循環(huán)。施工監(jiān)控過程流程圖見圖6。

圖6 施工監(jiān)控過程流程圖

3 施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 施工仿真分析

仿真計算分析是施工監(jiān)控過程中的重要理論分析方法。仿真計算分析主要包括2 個步驟：

首先，對施工設(shè)計圖紙進(jìn)行計算復(fù)核。復(fù)核內(nèi)容包含橋梁各部件結(jié)構(gòu)幾何尺寸、鋼筋布置等；依據(jù)相關(guān)設(shè)計要求及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，對成橋階段及各施工階段的設(shè)計變位、內(nèi)力等進(jìn)行復(fù)核計算，并與設(shè)計計算內(nèi)容進(jìn)行校核比較。

其次，對施工各個階段進(jìn)行跟蹤計算。由于理論設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)必然存在差異，加之施工荷載、施工方法等不可能與理論結(jié)果保持一致，在按照設(shè)計單位和施工單位確定的施工工藝進(jìn)行施工時，應(yīng)實時收集施工各個階段的數(shù)據(jù)參數(shù)，對施工過程進(jìn)行反復(fù)計算；同時按照隨機控制方法計算確定考慮預(yù)測反饋的控制作用，并采用實時向前分析方法計算確定計入各種影響的實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對施工過程進(jìn)行實時監(jiān)控[5-6]。

施工過程仿真計算采用專業(yè)有限元軟件Midas/Civil2020，圖7 為空間有限元模型圖。其中拱肋、橫撐、縱橫梁采用梁單元，吊桿采用只受拉單元，橋面板采用板單元。

圖7 空間有限元模型圖

3.2 位移影響矩陣計算

為了確定在吊桿更換過程中橋面標(biāo)高變化與吊桿力變化之間的關(guān)系，擬通過有限元模型對位移影響矩陣進(jìn)行計算。

假設(shè)在有限元模型中的吊桿上下吊點施加1 對單位力，通過分析計算得到吊桿處的橋面位移，則全橋位移矩陣為：

式中：n 代表一側(cè)拱肋的吊桿數(shù)。

由上述位移影響矩陣能夠求得任意荷載作用下任意位置處的標(biāo)高變化。利用位移影響矩陣，可以明確吊桿更換過程中不同監(jiān)控指標(biāo)的敏感性。本橋的位移影響矩陣計算結(jié)果為：

3.3 施工控制指標(biāo)確定

不同臨時吊桿張拉情況下，吊桿處橋面位移見表1。

表1 不同張拉工況下吊桿處橋面位移變化表 單位：mm

由表1 可知，在縱梁、橋面鋪裝剛度的影響下，拱肋最外側(cè)的3 根吊桿（D1～D3、D14～D16、X1～X3、X14～X16）的橋面標(biāo)高變化在不同的張拉工況下均小于1.0 mm，這些吊桿的橋面標(biāo)高變化對吊桿力的變化不敏感，因此這12 根吊桿施工監(jiān)控的指導(dǎo)原則為“以吊桿力監(jiān)控為主，兼顧位移監(jiān)控”；其余吊桿的施工監(jiān)控原則為“以位移監(jiān)控為主，兼顧吊桿力，同時在力轉(zhuǎn)化的最后一級進(jìn)行細(xì)化”。

3.4 施工監(jiān)測體系建立

施工監(jiān)測體系主要包括結(jié)構(gòu)線形監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測和吊桿力監(jiān)測。

橋面和拱肋的線形觀測是控制成橋線形最主要的依據(jù)。為保證局部逐級施工的安全性，更換每根吊桿時，必須對該吊桿及相鄰2 根吊桿處的橋面高程和拱肋線形進(jìn)行跟蹤測量。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式表面應(yīng)變計以及自動化采集設(shè)備。應(yīng)變傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)實時溫度監(jiān)測，在保證傳感器得到溫度補償?shù)耐瑫r，可提供施工期間的環(huán)境溫度和梁體結(jié)構(gòu)溫度場數(shù)據(jù)。

吊桿力監(jiān)測采用張拉吊桿時千斤頂油壓法和環(huán)境隨機振動法綜合進(jìn)行。利用油壓表數(shù)值和頻率法數(shù)值對吊桿計算長度進(jìn)行修正，基于修正的吊桿計算長度可以提高后續(xù)頻率法測量吊桿力的精度。

全橋施工監(jiān)測體系的測點布置圖見圖8。

圖8 全橋施工監(jiān)測體系的測點布置圖

4 施工控制結(jié)果與分析

4.1 吊桿更換過程中監(jiān)測結(jié)果

在吊桿更換過程中，所有32 根吊桿的橋面標(biāo)高變化量均在-3.0～1.0 mm 之間，變化量均在±5 mm以內(nèi)，表明橋面標(biāo)高得到了較好的控制。以X3 吊桿為例，更換過程中，對應(yīng)橋面標(biāo)高的變化趨勢圖見圖9。

圖9 X3 吊桿更換過程相對標(biāo)高變化趨勢

在吊桿更換過程中，主縱梁各測點的應(yīng)變變化量大部分控制在-30～+20 μm/m 以內(nèi)，東西側(cè)拱肋各測點的應(yīng)變變化量大部分控制在-70～+80 μm/m以內(nèi)；加上橋梁恒載后，總應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力，說明在本次吊桿更換施工過程中東、西縱梁和拱肋的應(yīng)力變化量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

更換吊桿X 10 時東、西縱梁跨中應(yīng)變變化趨勢圖見圖10；西側(cè)拱肋跨中應(yīng)變變化趨勢圖見圖11。

圖10 更換吊桿X10 時東、西縱梁跨中應(yīng)變變化趨勢圖

圖11 更換吊桿X10 時西側(cè)拱肋跨中應(yīng)變變化趨勢圖

4.2 吊桿更換后測量結(jié)果

吊桿更換完成后，對全橋橋面標(biāo)高進(jìn)行測量的結(jié)果表明，各測點的高程變化為-9～+4 mm，滿足設(shè)計各吊桿橋面標(biāo)高與更換前橋面標(biāo)高差值不得大于10 mm 的要求。吊桿更換完成后拱肋各測點的高程變化為-1.7～+1.6 mm，表明整個更換過程對拱肋的影響較小，符合設(shè)計要求。

索力測試結(jié)果表明，西側(cè)拱肋吊桿除去拱肋兩側(cè)短吊桿，其余吊桿力與設(shè)計吊桿力比值為0.95～1.15；東側(cè)拱肋吊桿除去拱肋兩側(cè)短吊桿，其余吊桿力與設(shè)計吊桿力比值為0.96～1.19。吊桿更換的吊桿力滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

（1）本橋施工監(jiān)控結(jié)果表明，吊桿更換后橋面線形、拱肋線形、吊桿力、主縱梁及拱肋應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測結(jié)果符合設(shè)計與規(guī)范要求。

（2）施工控制中應(yīng)選取合適的結(jié)構(gòu)有限元分析程序，對施工過程進(jìn)行模擬和分析，為施工控制指標(biāo)的選擇奠定基礎(chǔ)。

（3）中承式系桿拱橋施工監(jiān)控應(yīng)堅持貫徹以下原則：在滿足橋面高程變化要求的前提下，對吊桿力、拱肋高程和應(yīng)力進(jìn)行多方面監(jiān)測；針對不同的吊桿選擇不同的控制指標(biāo)。

（4）拱橋吊桿更換施工控制的指標(biāo)體系可以利用位移影響矩陣進(jìn)行計算和分析。

（5）吊桿力監(jiān)測應(yīng)同時采用千斤頂油壓法和環(huán)境隨機振動法進(jìn)行，并利用油壓表數(shù)值和頻率法數(shù)值對吊桿計算長度進(jìn)行修正。該吊桿計算長度也可為后續(xù)運維期吊桿力的測量提供參考。