石浦大橋鋼管混凝土系桿拱吊桿索力調整方法研究

潘建龍

（麗水市公路港航與運輸管理中心，浙江 麗水 323000）

隨著我國橋梁建設的快速發展，因系桿拱橋能夠充分發揮梁受彎和拱受壓的結構性能和組合作用，兼具拱與梁的優點，具有結構美觀輕巧、跨越能力大、承載能力強等特點，近年來在國內得到廣泛應用。此外，因鋼管混凝土結構結合了鋼管與混凝土的優點，互相彌補了各自材料的缺點，有助于提高整體結構的受力特性，在系桿拱橋中也逐漸得到應用。

吊桿作為系桿拱橋關鍵的受力構件，其內力變化和分布情況容易受環境溫度、橋梁正常運營、健康狀況等因素影響。吊桿索力是指鋼管混凝土系桿拱各根吊桿所受的張拉力，可分為兩類：第一類是在各施工階段吊桿所受的張拉力；第二類是成橋后吊桿所要保持的張拉力，即吊桿成橋索力，它是運營時期關注的重點。現有研究表明當溫度大幅變化時，系桿拱橋的內力會發生較大的變化，吊桿成橋索力也將隨之改變。而且，系桿拱橋作為一種多次超靜定的三元結構，其拱肋和主梁的受力狀態會隨著吊桿索力的改變而發生較大變化，因此吊桿索力的優化設計和施工控制成為施工關鍵因素。對于已經完工的鋼管混凝土系桿拱橋，成橋后吊桿索力控制值理論上應為平衡載恒產生的吊桿張拉力，同時考慮成橋后結構線形、短吊桿受力等因素。但受外載作用和自然環境影響，經常存在吊桿索力損失嚴重，甚至損失偏差超過規范值，必須對吊桿索力進行調整，使橋梁結構達到相對理想受力狀態，線形更接近設計線形。

針對石浦大橋邊跨存在吊桿索力損失病害，本文制定了相應的調整方案，并通過建立有限元模型模擬分析了邊跨相關吊桿索力的變化情況，研究成果有助于同類系桿拱橋吊桿索力病害的處治經驗借鑒。

1 工程概況

如圖1 所示，石浦大橋主橋為70+100+70m 三跨下承式鋼管混凝土系桿拱，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，橫向兩片平行拱肋，拱肋中距25.9m，主跨100m 設置5 道風撐，邊跨70m 設置3 道風撐，拱軸線為拋物線，矢跨比1/5。主跨100m，計算矢高20m，邊跨70m 計算矢高14m。系梁和橫梁為預應力混凝土結構，吊桿采用GJ 型鋼絞線整束擠壓式拉索體系，吊桿間距為4.9m，行車道板為25cm 實心板體系。該橋采用先梁后拱的施工方法，端橫梁及系梁采用支架現澆，中橫梁采用懸掛裝配式施工，主跨拱肋采用龍門吊吊裝、邊跨拱肋采用履帶吊吊裝施工。

圖1 石浦大橋航拍圖

該橋于2019 年12 月通過交工驗收并交付試運營，2022 年初兩年試運營期滿后經檢測各部構件變形均與成橋時總體一致，但邊跨小樁號方向邊孔左側3 號桿和右側3 號桿、4 號桿索力超出規范規定的±20%范圍，偏差分別達到了+26.1%、+26.1%和-28.6%。由表1 可見，特別是拱腳附近吊桿較短，拱肋、系梁剛度又相對較大，不易協調恒載和外載產生的吊桿力，更容易發生吊桿索力變化而偏離規范要求。基于此，上述吊桿索力需要調整滿足規范要求后才能通過竣工驗收，安全投入正式運營。該橋投入試運營后交通量與日俱增，日交通量達1 萬多輛，按常規調整吊桿索力方法需多次調試，要長時間封閉交通，將對運營帶來巨大影響。因此，有必要采取一次性調整吊桿索力的方法。

表1 調整前邊跨吊桿索力實測值

2 吊桿索力一次性調整方法研究

2.1 吊桿索力調整方案

從表1 可以看出，只是靠近拱腳左右側的3 號吊桿索力偏大，同時右側靠近3 號的4 號吊桿索力又偏小，而其它均在規范范圍內。基于拱肋和系梁剛度比對吊桿張拉產生的影響，特別是跨中長吊桿在張拉過程中，在已張拉對應恒載索力的情況下，會由于系梁和拱肋的彈性變形而損失后期調整的這部分張拉力。拱腳附近剛度相對較強，吊桿索力隨著千斤頂的張拉而增大。也就是說對于調索而言，長吊桿反映在結構的變形，而短吊桿的索力對張拉較敏感?？紤]到這些因素，吊桿主動張拉力以成橋恒載力為控制目標值，吊桿調整索力兼顧結構線形。因此，本文采取釋放左右側3 號桿一定量張拉力的手段，實現對吊桿索力的一次性調整，如表2 所示。

表2 邊跨吊桿索力調整方案

2.2 有限元計算模型與結果

根據設計圖紙，本文采用MIDAS 建立了邊跨有限元計算模型（圖2）。該模型共有436 個節點，580 個單元，其中吊桿單元26 個，梁單元554 個。

圖2 邊跨有限元計算模型

混凝土系桿拱橋是一個外部靜定而內部高次超靜定的結構，在張拉吊桿的過程中，后張拉的吊桿張拉時會引起已張拉吊桿的索力發生變化，而已張拉的吊桿也會對后張拉的吊桿索力產生影響，所以在整個張拉過程中，除了最后張拉的一組吊桿，其他的一直都處于變化狀態，因此需要對施工過程的吊桿張拉控制力進行監控，確保吊桿力正常。經過各階段張拉，使吊桿索力達到目標控制力。

根據表2 的一次性調整方案進行有限元模擬，得到圖3 中微調后的理論計算索力和有限元計算索力結果，以及與成橋理論索力的偏差?？梢?，通過微調后，整個橋梁的吊桿索力均發生變化。其中，與調整前實測索力相比，左側3 號吊桿微調后，4、5 號吊桿的理論計算索力和有限元計算索力均發生了1%以上的變化（最大偏差達到14.1%），其他吊桿索力變化在1%以下。右側3 號吊桿微調后，4、5、6 號吊桿的理論計算索力和有限元計算索力均發生了1%以上的變化（最大偏差達到-17.1%），其他吊桿索力變化在1%以下。

圖3 微調前后的吊桿索力理論值和計算值

圖4 為微調后的結構變形分析?？梢姡⒄{左側3號桿后，拱肋結構最大變形在調索處，為1.4mm，系梁最大變形也在調索處，為0.6mm；微調右側3 號桿后，拱肋結構最大變形在調索處，為2.4mm，系梁最大變形也在調索處，為1.1mm。

圖4 微調后的結構變形（mm）

3 吊桿索力調整實測結果分析

現場施工時按順序張拉吊桿進行索力調整，經施工方和第三方檢測后得到的各吊桿索力實測值如圖5 所示?？梢姡⒄{后右側3 號和4 號吊桿索力的調整效果好于預期，但左側3 號和4 號吊桿索力實測值與理論計算值有一定差距。其中，雖然微調后左側3 號吊桿索力偏差率有19.8%，但仍然滿足規范規定的不超過20%要求；微調后左側4 號吊桿索力反而與成橋索力仍然相接近，其它吊桿索力也變化不大。這可能是由于左側3 號吊桿釋放張拉力不足造成的，這一點也可以從右側3 號吊桿調整索力后的結果看出，為此釋放張拉力應考慮適當的富余量才可能達到調整吊桿索力的理想目的。總體而言，采用本文的一次性調整方法能夠滿足規范要求，達到了預期目標，而且節省了一半的交通管制時間。

圖5 微調前后的吊桿索力實測值

4 結論

針對石浦大橋邊跨吊桿索力病害，本文采用一次性調整方法，并通過建立有限元模型模擬分析了邊跨相關吊桿索力的變化情況，主要結論有：

（1）根據理論調試計算和有限元模擬分析，相比調整前實測索力，與調整吊桿相鄰的吊桿索力變化相對較大，拱肋和系梁最大變形均發生在調索處，但最大變形僅有2.4mm。

（2）調整后現場實測的各吊桿索力均滿足規范要求，表明采取釋放靠近拱腳處號桿一定量張拉力的手段，實現了對吊桿索力的一次性調整。

（3）建議釋放張拉力時應考慮適當的富余量才可能達到調整吊桿索力的目的，對于有相鄰吊桿索力明顯偏低的吊桿，可以采用通過提升相鄰吊桿索力的方法達到調整降低索力明顯偏高的吊桿索力。