先梁后拱式系桿拱橋吊桿張拉及索力控制研究

蔡軍田

(中鐵九局集團(tuán)第七工程有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110000)

1 工程概況

新建沈陽(yáng)至丹東鐵路客運(yùn)專線改建沈丹乙線太子河特大橋，采用1跨95.7 m鋼管混凝土系桿拱。該橋?yàn)殡p線剛性系梁剛性拱橋，跨徑L=95.7 m，全長(zhǎng)98 m，系梁與拱肋固接，整個(gè)結(jié)構(gòu)為內(nèi)部超靜定外部靜定。拱軸線采用二次拋物線，矢跨比為f/L=1∶4.98，矢高為 19.2 m，理論拱軸線方程為 z=0.8x－0.008 33x2。拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面，鋼管外徑100 cm壁厚20 mm，上下兩拱肋中心距1.5 m，拱肋截面高2.5 m。上下拱肋之間采用厚16 cm的腹板連接，腹板間距96 cm，腹板間灌注混凝土。拱肋之間共設(shè)1組一字形橫撐、4道K撐，一字撐采用外徑1.0 m的圓形鋼管組成，斜撐采用外徑0.8 m的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)不填充混凝土。拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°角，成提籃式樣，拱頂處兩拱肋中心距8.058 m。拱肋與橋面靠吊桿相連，全橋共設(shè)17對(duì)吊桿，吊桿間距5 m。吊桿索采用PES(FD)7-121成品索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 670 MPa，疲勞應(yīng)力幅200 MPa。鋼絲按GB 5223標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，雙層HDPE防護(hù)，采用LZM7-121帶萬(wàn)向鉸構(gòu)造的冷鑄墩頭錨。吊桿的張拉端設(shè)在系梁下端，在梁體內(nèi)預(yù)埋鋼管采用張拉桿進(jìn)行吊桿張拉。吊桿的張拉需在拱肋混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上，且齡期＞14 d以后方可進(jìn)行。橋型布置如圖1。

圖1 全橋立面

2 施工工藝流程

本橋采用先梁后拱的施工方法，梁部采用滿布支架施工，跨越道路立交部分采用貝雷架，拱肋鋼管在梁頂搭設(shè)支架安裝。施工順序?yàn)?系梁支架地基處理→搭設(shè)系梁支架→預(yù)壓→安裝模板及支座→綁扎系梁及拱座預(yù)埋段鋼筋→預(yù)應(yīng)力孔道安裝→分段澆筑系梁混凝土→張拉系梁鋼絞線→搭設(shè)拱肋支架→安裝拱肋及橫撐→頂升拱肋鋼管混凝土→拆除部分拱肋支架→吊桿安裝→吊桿張拉→拆除系梁支架。

3 吊桿施工

3.1 吊桿安裝

當(dāng)拱肋調(diào)整線形后，且上弦管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上時(shí)即可進(jìn)行吊桿安裝。吊桿運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，把鋼絲繩從拱肋吊桿套管中順下，并系在墩頭錨頂端聯(lián)結(jié)器吊環(huán)上，聯(lián)結(jié)器與要吊裝的吊桿聯(lián)結(jié)。吊車提起聯(lián)結(jié)器帶著吊桿一起提升，當(dāng)?shù)鯒U提升至接近拱肋吊桿套管時(shí)，錨頭對(duì)準(zhǔn)套管后緩緩提升，吊桿伸出錨墊板后上好上錨頭錨固螺母，并安裝好吊桿防護(hù)罩，松開(kāi)鋼絲繩，擰下聯(lián)結(jié)器。

3.2 吊桿張拉

3.2.1 吊桿張拉順序

吊桿施加預(yù)應(yīng)力是系桿拱進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序，具有裸拱加載的特點(diǎn)。在本橋施工中，吊桿采用分批對(duì)稱張拉，并且一次張拉到位，不同的張拉順序?qū)袄呤芰Φ挠绊懯遣灰粯拥摹?/p>

方案1:從拱腳到跨中依次分批對(duì)稱張拉，張拉順序?yàn)?1，1'→2，2'→ 3，3'→ 4，4'→ 5，5'→ 6，6'→ 7，7'→8，8'→9，9'。通過(guò)有限元計(jì)算分析:張拉時(shí)拱肋受力不均勻，拱肋局部拉應(yīng)力較大，張拉 2#，3#，4#，5#吊桿時(shí)拱腳處上緣混凝土拉應(yīng)力較大，其中張拉3#吊桿時(shí)拱腳處上緣混凝土的拉應(yīng)力為5.44 MPa，在1/4截面附近出現(xiàn)4.4 MPa的拉應(yīng)力，而C50混凝土的軸心抗拉極限強(qiáng)度為3.10 MPa，易產(chǎn)生裂縫。

方案2:從拱腳開(kāi)始跳躍式分批對(duì)稱張拉，張拉順序?yàn)?1，1'→2，2'→ 6，6'→ 5，5'→ 8，8'→ 9，9'→ 3，3'→4，4'→7，吊桿張拉力見(jiàn)表1。通過(guò)有限元計(jì)算分析:張拉時(shí)拱肋受力均勻，拱肋局部地方拉應(yīng)力較小，張拉時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂縫。對(duì)兩種張拉方案進(jìn)行比較，方案2更為合理可靠。

表1 從拱腳開(kāi)始跳躍式分批對(duì)稱張拉吊桿張拉力

3.2.2 吊桿張拉實(shí)施

當(dāng)拱肋壓漿完成并達(dá)到一定要求強(qiáng)度后，可以進(jìn)行吊桿張拉工作。吊桿張拉時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)張拉次序?qū)Φ鯒U進(jìn)行張拉，且兩個(gè)拱肋同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行。張拉采用應(yīng)力與伸長(zhǎng)量雙控，張拉工藝與預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉要求與方法相同。千斤頂在系梁下端張拉吊桿索，鋼管拱為固定端。張拉桿自上而下穿入，將張拉螺母旋入張拉桿，對(duì)中千斤頂活塞。連接油泵油管與壓力表，按照張拉程序張拉、測(cè)量、記錄與觀察。張拉過(guò)程中固定端與橋面要安排專人觀察、檢查，防止固定端螺母位置的變化與索體偏心。張拉過(guò)程中為保證索體應(yīng)力準(zhǔn)確，減少應(yīng)力損失，張拉螺母必須不斷旋緊到與鋼墊板完全密貼后，才能放張錨固。

4 吊桿索力監(jiān)測(cè)

4.1 索力監(jiān)測(cè)的必要性與方法

系桿、拱肋和吊桿組成系桿拱的立面構(gòu)造，系桿和拱肋是主要承重結(jié)構(gòu)，而吊桿則是兩者之間的傳力構(gòu)件，橋面荷載要通過(guò)吊桿傳遞給拱肋。因此吊桿是系桿拱橋主要構(gòu)件之一，吊桿能否正常工作，將會(huì)影響到整個(gè)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)。在梁拱組合體系橋梁中，正確設(shè)計(jì)和測(cè)定吊桿內(nèi)力，對(duì)于確保結(jié)構(gòu)受力合理非常重要。在施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)吊桿索力進(jìn)行張拉和調(diào)整，使結(jié)構(gòu)總體進(jìn)入最佳工作狀態(tài)。成橋后，也應(yīng)對(duì)吊桿拉索進(jìn)行索力測(cè)試，以了解橋梁結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營(yíng)下的受力狀況。

目前，在工程實(shí)踐中，測(cè)定吊桿索力普遍采用的方法有油壓表讀數(shù)法、傳感器標(biāo)定法和頻率法。前兩種方法一般僅適用于正在張拉的吊桿的索力測(cè)定，當(dāng)需要對(duì)己施工完畢的吊桿進(jìn)行索力復(fù)測(cè)時(shí)，頻率法幾乎是唯一選擇。用頻率法測(cè)定纜索張力是首先測(cè)定纜索的固有振動(dòng)頻率，再根據(jù)兩端拉緊的纜索其張力與頻率之間的固有關(guān)系算得張力，是一種間接的測(cè)試方法。這種方法只要邊界條件模擬恰當(dāng)，測(cè)量精度很高，通常在5%以內(nèi)。

4.2 頻率法測(cè)試索力的基本原理

頻率法測(cè)試吊桿索力的理論基礎(chǔ)是弦振動(dòng)理論。主要承受軸向拉力的吊桿，如果考慮吊桿的抗彎剛度EI，則應(yīng)用動(dòng)力學(xué)普遍原理可以建立均勻線密度的吊桿在無(wú)阻尼狀態(tài)下的自由振動(dòng)方程。

將吊桿看成是兩端張緊的弦，并假定:①?gòu)埦o后的吊桿為一條直線，吊桿的兩端鉸接，忽略自重的影響;②吊桿僅作微幅橫向自由振動(dòng)，沒(méi)有橫向力的作用;③吊桿是均質(zhì)材料，即ρ(x)=常數(shù)。

則吊桿在張緊狀態(tài)下自由振動(dòng)方程為

式中:u=u(x，t)為沿吊桿豎向在t時(shí)刻x點(diǎn)的橫向振幅;EI為吊桿的抗彎剛度;T為吊桿的張力;ρ=ρ(x)為吊桿的線密度。

在以上假定條件下，式(1)的解為

式中:L為吊桿的計(jì)算長(zhǎng)度;fn為吊桿自由振動(dòng)時(shí)的第n 階頻率，n=1，2，3 ，…。

略去吊桿彎曲剛度的影響，式(2)變?yōu)?/p>

對(duì)吊桿而言，張力一定時(shí)其各階自振頻率的頻譜是等間距的，且間距等于其1階自振頻率f1。以下假定測(cè)得了吊桿在張緊狀態(tài)的1階頻率f1，則式(3)又可寫成

由公式(4)可知，明確了纜索的材料和長(zhǎng)度之后，通過(guò)測(cè)量其自由振動(dòng)一階頻率(或主振頻率)，就可確定纜索的拉力。K為比例系數(shù)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定準(zhǔn)確測(cè)得。

4.3 索力測(cè)試

4.3.1 卸架前索力測(cè)試

拱橋系梁卸架前，對(duì)吊桿進(jìn)行張拉，張拉時(shí)先對(duì)索力計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，所有吊桿張拉完成后，對(duì)每根吊桿進(jìn)行索力測(cè)定。

通過(guò)對(duì)吊桿索力實(shí)測(cè)值和本階段目標(biāo)索力值比較，相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，滿足落架條件，可以進(jìn)行系梁落架。待落架完成后，對(duì)各吊桿索力進(jìn)行測(cè)試，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，通過(guò)比較確定是否調(diào)索，最終確保各吊桿索力在設(shè)計(jì)誤差允許范圍以內(nèi)。

4.3.2 卸架后索力測(cè)試及調(diào)整

拱橋系梁卸架后對(duì)所有吊桿索力進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)索力超出設(shè)計(jì)誤差允許范圍的吊桿進(jìn)行調(diào)整，最后對(duì)每根吊桿進(jìn)行索力測(cè)試，部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 卸架后吊桿索力測(cè)試

通過(guò)對(duì)吊桿索力實(shí)測(cè)值和本階段設(shè)計(jì)索力值比較，全橋吊桿力控制均勻，各個(gè)吊桿實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值吻合較好，實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值的誤差均在合理誤差以內(nèi)，從整體和局部來(lái)講都是理想的，滿足設(shè)計(jì)對(duì)吊桿力的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

吊桿施加預(yù)應(yīng)力是系桿拱進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序，具有裸拱加載的特點(diǎn)。在張拉過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行全程跟蹤測(cè)量，隨時(shí)解決張拉過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，并根據(jù)實(shí)際情況提出了可行的調(diào)整措施，為吊桿安全張拉提供了可行的方案及準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。按照施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不斷修正方案，順利完成了本橋全部吊桿的張拉工作。對(duì)于吊桿設(shè)計(jì)、張拉過(guò)程認(rèn)真分析后，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)吊桿采用分批對(duì)稱張拉，并且一次張拉到位，不同的張拉順序?qū)袄呤芰Φ挠绊懯遣灰粯拥?。從拱腳到跨中依次分批對(duì)稱張拉，拱肋受力不均勻，拱肋局部拉應(yīng)力較大，超過(guò)混凝土的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，受力不利。吊桿的張拉順序需要嚴(yán)格計(jì)算后確定，宜采用從拱腳開(kāi)始跳躍式分批對(duì)稱張拉，使拱肋受力均勻合理。

2)在吊桿張拉過(guò)程中，結(jié)構(gòu)隨時(shí)都在進(jìn)行體系轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)各部分的內(nèi)力重分配現(xiàn)象較明顯，特別在剛性系桿剛性拱中索和拱的內(nèi)力變化明顯，所以正確測(cè)定和控制吊桿內(nèi)力，確保結(jié)構(gòu)受力合理非常重要。

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