吊桿拱橋更換吊桿施工控制要點分析與應用

侯安

摘要 更換吊桿施工是吊桿拱橋加固改造工程中關鍵工程，如何保障結構施工安全和結構線形美觀是整個更換吊桿工程的難點，文章以某工程吊桿更換施工過程為基礎，根據吊桿更換施工順序和工藝流程，采用midas Civil仿真分析軟件對結構進行溫度荷載效應計算，結合實際監測結果，證明了溫度荷載效應是吊桿拱橋施工必須解決的問題，并給出了有效解決方案。同時，針對吊桿更換完成后的索力優化問題，提出了解決辦法，使該橋更換吊桿施工順利完成，結構線形美觀，受力合理。

關鍵詞 吊桿拱橋;更換吊桿;溫度荷載;索力優化

中圖分類號 U448.225 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0142-03

0 引言

隨著橋梁設計和施工水平的不斷提升，我國建造出了各種類型的橋梁結構。吊桿拱橋由于其結構輕型美觀，得到了很多設計者的青睞。在使用過程中，吊桿拱橋通常會出現吊桿保護套管材料老化、吊桿鋼絲銹蝕，錨固區鋼絲出現疲勞破壞，損傷斷裂等病害，使吊桿索力降低，橋跨下撓，甚至危及橋梁結構安全[1]。為了保障老舊橋梁結構能夠安全運營，使其在經濟建設中發揮長遠作用，橋梁結構加固設計和施工要求比新橋建設更高。同時，老舊吊桿拱橋進行吊桿更換施工時，往往因為年代久遠，無法查找詳盡的設計圖紙，甚至對材料尺寸、規格都出現明顯偏差。吊桿拱橋更換吊桿施工的復雜性，要求工作者必須嚴格做好施工控制。在施工控制中，通過及時量測和采集各項參數，與仿真計算結果對比分析，適時糾偏，調整施工工藝，使施工技術安全可行，橋梁結構受力合理，線形美觀，行車舒適。

該文以某吊桿拱橋更換吊桿施工為基礎，采用主梁線形控制為主，拱肋控制截面應變控制為輔的雙控機制[2]，順利完成了該橋的更換吊桿施工。

1 工程概況

東莞市某吊桿拱橋跨徑布置為45 m+80 m+45 m，于1994年建成通車。上部結構主孔采用中承式吊桿拱，邊孔為雙肋式上承拱，主拱圈矢跨比為1/3;邊拱圈矢跨比為1/6，拱軸系數 m=1.347。主孔拱肋采用鋼筋混凝土箱型拱肋，主拱肋截面高度2.0 m，寬度1.2 m，中部為矩形空腔;主孔共22 對吊桿，縱向間距3.0 m，每根吊桿采用48φ 7平行高強鋼絲加PE熱擠防護套配冷鑄鐓頭，外套不銹鋼管。

2 計算模型

該橋采用空間三維有限元模型建模，采用midas Civil軟件進行整體結構分析計算，全橋由1 429個節點和1 405個單元組成，模型如圖1所示。

該橋采用空間有限元模型，縱梁和橫梁采用魚刺骨模型，恒載按照實際分布進行加載，活載車道數取3車道，根據影響線進行加載。

3 施工控制技術要點

3.1 更換吊桿順序及施工工藝流程

該橋的更換吊桿施工主要分三大步驟：臨時吊桿的張拉及舊吊桿的拆除、新吊桿的安裝、新吊桿張拉及臨時吊桿拆除。具體施工工藝流程如圖2。根據施工工藝流程圖可知，項目的施工技術重點和難點主要是安裝臨時吊桿體系。臨時吊桿體系關鍵施工節點是臨時兜吊系統的設計和安裝。

該橋臨時兜吊系統分為梁下臨時兜吊系統和拱頂臨時兜吊系統。首先，兜吊系統錨固端的剛度需要滿足施工張拉力的要求，一般不小于1.5倍最大吊桿力;其次，兜吊系統需要滿足結構穩定性要求，在不平衡張拉力作用下，具有足夠的抗扭剛度;另外，兜吊系統還必須滿足施工過程中使用的便利性，每根吊桿更換完成后，可以利用千斤頂爬行至下一根吊桿位置;最后，兜吊系統必須滿足一定強度，在完成整座橋梁的吊桿更換施工前，不能有明顯的彎曲變形等。

3.2 監測內容

根據吊桿拱橋受力和變形特點，確定該橋的主要監測內容包括：主梁線形監測、拱圈控制截面應力監測、拱圈位移監測、吊桿索力控制、臨時錨固區集中應力監測。吊桿更換施工的關鍵主要是在施工過程中對吊桿力和橋面主梁線形進行控制，為確保吊桿更換達到預期目標，更換施工過程中需要在更換全橋吊桿之前、更換完成之后以及調索完成之后三個時間節點，用高精度儀器對主梁線形標高、全橋吊桿索力進行監測，以實現對施工過程的實時控制。

3.3 吊桿更換施工

更換吊桿施工，應選擇在夜間或凌晨測定恒載狀態下吊桿安裝位置的拱肋端和系梁端的實際高程，作為吊桿更換的一個基點，并以之作為加固施工完成后的評定參數，測量包括吊桿索力測量和橋面控制點高程測量以及拱軸線的測量、舊吊桿索力檢測。

吊桿更換施工可分為兩個受力體系轉換過程：舊吊桿力向臨時吊桿力的轉換、臨時吊桿力向新吊桿力的轉換。

臨時吊桿張拉和舊吊桿的拆除，都是從拱頂進行單端張拉完成的，張拉和拆除應同步分級進行，每一級的張拉過程中控制橋面標高變化值應在±5 mm之內，張拉控制分級應不少于5級。每一次受力體系轉換完成后，應對主梁跨中測點進行標高連續監測，標高穩定后（穩定時間不小于30 min），再進行主梁全橋標高量測。當完成臨時吊桿與舊吊桿的更換受力體系轉換后，全橋應停止施工，靜置觀測5 h，首件吊桿更換靜置觀測12 h，待兜吊系統完全穩定沒有發生任何不良情況，方可進行舊吊桿的拆除。

新吊桿的張拉和臨時吊桿的拆除也應分級進行，每一級的橋面標高變化值也應控制在±5 mm之內，同時對新吊桿的張拉力進行控制，利用高精度的索力儀適時采集索力值及吊桿頻率，為后期吊桿索力優化提供數據支持。

3.4 溫度荷載影響問題

吊桿拱橋作為一個超靜定結構受力結構，在受到日照梯度溫差和系統溫差作用下，結構會因溫度荷載效應產生較大的溫度應力和變形，使整體結構受力產生不利影響，甚至造成嚴重后果。

3.4.1 溫度效應有限元分析理論

溫度荷載下的有限元分析，是將溫度荷載引起的結構變化進行等價變換，然后對結構的反應進行分析。不同的溫度荷載下，拱肋中會因溫度差異導致拱肋產生附加應力。假設因溫度變化而引起的橋跨變位為，根據變形協調條件，溫度變化時，在彈性中心施加一個水平推力，當溫度上升時為正（向內），當溫度下降時為負（向外）。其方程[3]為：

在的作用下，拱肋各截面產生的溫度內力為：

式中，α——材料的線膨脹系數;t1——拱肋合攏溫度;t2——溫度變化;——單位溫度應力;E——彈性模量;μ——泊松比;I——截面慣性矩;Mt——溫度彎矩;Nt——溫度軸力;Qt——溫度剪力。

3.4.2 溫度效應理論分析

按照溫度效應有限元分析理論，結合更換吊桿過程中的施工環境溫度變化情況，運用midas Civil分析軟件分別計算了該橋在系統升降溫20℃、階梯升降溫度10℃效應下的結構位移變化情況，其中，系統升降溫度對結構位移影響較大，如圖3、4所示。

以上計算結果表明，吊桿拱橋在溫度荷載作用下，在跨中拱頂位置位移變化最為明顯。在系統升溫荷載作用下，在拱頂和橋跨跨中位置位移最大，達17 mm。

3.4.3 溫度效應實測結果

為了解溫度效應對該橋實際施工的影響，現場在22根吊桿位置布設橋面線形控制測點，在不同環境溫度下，通過在該橋更換吊桿施工前進行多次量測，得出實測系統溫差下的橋面線形變化情況。初值時的環境溫度為16～18 ℃，實測1時的環境溫度為24 ℃，實測2時的環境溫度為22 ℃，各測點的位移值如圖5所示。

根據施工現場對22根吊桿位置的位移實測，在環境溫差8 ℃下（整體升溫8 ℃），各吊桿位置都是出現了上撓現象，實測最大溫度荷載位移值為12 mm（跨中位置）。

以上表明，整體升溫荷載作用下，主梁位移都是上撓趨勢，而且日照系統溫差荷載的影響較大，在整個更換吊桿施工過程中不容忽視。

在該橋實際更換吊桿施工過程中，由于每次更換吊桿施工時間較長，溫度差異較大，更換完成后，為了消除溫度差異引起的系統誤差，應在當日更換完成后的同一工況下，夜間溫度穩定時，再次量測各參數，以消除系統誤差，更好地指導施工。

3.5 索力優化控制要點

更換吊桿施工過程中，是以施工安全，結構受力安全為主要控制目標。索力優化的控制目標是以結構受力合理，橋面線形舒適美觀為目的。即橋面線形優化為主，吊桿力均勻性優化為輔[4]。

（1）二次調索時吊桿張拉對臨近吊桿起到卸載作用，但作用范圍有限，對遠端吊桿幾乎沒有影響，因此可以利用這一特點降低調索次數。

（2）二次調索可通過優化張拉順序改善局部受力效果。

（3）拱肋和系桿剛度比會對吊桿張拉產生影響，由于系桿和拱肋的彈性變形，跨中長吊桿在張拉調整過程中會因彈性變形損失掉部分張拉力，拱腳附近剛度相對較大，吊桿力隨著千斤頂的張拉而增大。在不引起吊桿索力大幅變化的前提下，通過長吊桿張拉微調可以較顯著地改變結構線形。

索力優化應從以下幾個方面綜合分析：

（1）調索吊桿盡量選擇靠跨中位置吊桿。

（2）在調索吊桿位置橋面設置標高控制點，監測位移測量成果。

（3）用索力儀監測索力值變化情況。

（4）在張拉端量測吊桿的抬升量。

（5）監測約束端局部應力。

4 結語

該文以某吊桿拱橋更換吊桿施工的監測工作實例為基礎，通過采用 midas Civil分析軟件對結構進行仿真計算，并根據現場監測成果適時糾偏，順利完成了該橋的更換吊桿施工。通過工程實踐，得到了以下結論：

（1）文中提出的更換吊桿施工順序及施工工藝流程是可行的，通過該工藝能夠順利完成更換吊桿施工。

（2）該文提出了更換舊吊桿施工的施工注意要點，為同類型橋梁的舊吊桿更換施工提供了技術支持，保障了結構施工安全，也對該類橋梁的施工監控工作重點和難點具有很好的指導意義。

（3）該文根據理論計算和現場實測，證明了整體升溫系統溫差荷載效應下，吊桿拱橋線形變化明顯，是施工過程中不可忽視的，同時給出了消除系統溫差荷載的監測措施。

（4）該文總結了吊桿索力優化如何進行目標控制，同時總結了吊桿索力優化施工的要點和方法。

參考文獻

[1]陳寶春. 鋼管混凝土拱橋設計與施工[M]. 北京： 人民交通出版社， 1999.

[2]楊文志. 提籃拱橋吊桿更換研究[D]. 成都：西南交通大學， 2008.

[3]賈宏宇， 雷嘯， 梁斌， 等. 高速鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋溫度效應分析[J]. 河南大學學報， 2021（2）： 241-244.

[4]李杰. 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.