三榀拱肋鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工監控分析

■鄭景祥

(1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350025)

三榀拱肋鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工監控分析

■鄭景祥1,2

(1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350025)

結合三榀拱肋鋼管混凝土橋梁吊桿更換有限元仿真分析和吊桿更換施工監控方案,通過對三榀拱肋應力、橫梁應力、吊桿索力、橋面高程、橋梁自振特性的監測，確保橋梁在吊桿更換過程中的安全，并為此類橋梁在以后的吊桿更換施工監控提供參考。

鋼管混凝土拱橋 吊桿更換 施工監控

1 橋梁概況

某橋三榀拱肋，橋梁全長176m，上部結構共設3個橋孔，中孔采用中承式鋼管混凝土拱肋，凈跨76m，矢跨比1/4，兩邊孔為上承式混凝土拱，凈跨35m，矢跨比1/5，橋吊主體布置如圖1所示。

中孔鋼管混凝土拱軸線為二次拋物線，按無鉸拱設計。拱肋為啞鈴型截面，鋼管直徑為800mm，高度1.9m，內灌C40混凝土。橋梁橫向共設置三榀拱肋，機動車道布置在拱肋之間，非機動車道及人行道布置在拱肋外側。三榀拱肋之間在橋面以上段設置三根橫撐聯系，在橋面以下段設置兩個K型橫撐聯系。吊桿為110-Φs5高強鋼絲，外套鋼管，并灌注水泥砂漿防護。橫梁為普通鋼筋混凝土I字梁，橋面為裝配式鋼筋混凝土簡支板，橋面連續。

兩邊孔為上承式混凝土拱，拱軸為二次拋物線，板拱厚0.8m，拱上建筑為梁式腹拱，在立柱、橫梁上安裝裝配式鋼筋混凝土簡支板，橋面連續。

根據檢測，該橋吊桿外包護套銹蝕嚴重的病害，吊桿錨頭鋼絲銹蝕，病害在持續的發展，應對橋梁吊桿更換，為了更好的改善吊桿受力和其使用壽命，對原橋所有吊桿進行更換處理。

圖1 橋梁主體布置圖(單位：m)

2 橋梁吊桿更換施工監控目標

本橋為中承式鋼管混凝土吊桿拱橋，在每根吊桿更換施工過程中，其內力與構件的變形均在不停的變化，只有選擇合理的監控方案，才能確保橋梁結構在施工過程中其內力與構件變形在設計容許范圍內。總體目標是：

(1)確保吊桿更換過程中橋梁結構的安全，控制吊桿在更換過程中其張拉力不超出設計索力±20%范圍內；

(2)控制主拱肋的應力與變形不超過設計容許范圍；

(3)通過各吊點標高和吊桿內力全程監控，指導和調整吊桿的橫梁吊點標高和受力狀態，盡可能獲得較理想的成橋橋面線形和內力狀態。

3 橋梁吊桿更換有限模型仿真分析

大橋采用對等的力轉換法等代替換原吊桿，大橋的施工控制模型采用Midas軟件進行計算，按照施工工藝和施工流程來仿真施工過程，施工控制模型如圖2。

圖2 橋梁有限元模型

4 橋梁吊桿更換施工監控難點及內容

本橋吊桿更換的設計思想是吊桿更換過程中盡量不改變全橋原有的受力狀態，待全部吊桿更換完成后通過吊桿更換后通過索力的二次調整，獲得合理的成橋狀態；即在施工工程中，新吊桿張拉以對應的舊吊桿索力值作為控制值，保證吊桿更換后吊桿力盡量一致。

本橋吊桿更換是同時更換三榀拱肋同一位置的吊桿，在吊桿更換過程中，為了保證三榀拱肋、橫梁、吊桿、橋面板之間的協同受力，就需要利用軟件對橋梁進行仿真分析，模擬出各個構件在吊桿更換前后及過程中的應力、變形、索力的變化值，如何保證監控過程中應力、變形、索力值同時在設計要求范圍內，是本次監控的一個難點。

(1)主拱肋應力監控

采用振弦式應變計(表面式)對主拱肋應力進行監控。在每跨拱肋拱腳截面、拱頂截面、1/4截面和3/4截面，每斷面布置1個測點，3榀拱肋共布置15個應力測點。

(2)橫梁應力監控

本橋吊桿橫梁采用普通鋼筋混凝土I字梁，在吊桿更換過程中，由于三個拱肋的兜掉系統千斤頂頂升的同步性較難保持一致，因此，在更換中的橫梁下緣布置兩個振弦式應變計，對其應力變化情況進行監測，并控制其變化值在設計允許的范圍之內。

(3)幾何變形監控

橋面線形的控制包括兩個方面的內容：一是監測吊桿更換后橋面標高的變化，保證吊桿張拉和卸載過程橋面不因過大的變形而破裂；二是在吊桿更換施工前后對整個橋面線形進行測試，并通過索力調整獲得理想的橋面線形。

圖3 橋面水準測量點布置示意圖

(4)吊桿索力監控

為了保證吊桿在更換前后新吊桿索力與舊吊桿索力一致索力盡量一致吊桿索力的監控分為三個過程。

一是吊桿更換前，分別采用振動頻率法和油壓法測試吊桿索力，并對兩次值進行比對分析及對模型進行修正，確定新吊桿的張拉控制值；

二是吊桿更換過程中，參考前面確定的張拉控制值，利用油壓法控制吊桿索力；

三是吊桿更換完，再次分別采用振動頻率法測試吊桿索力，得到吊桿更換完成后的索力，綜合應力、變形、索力等監測數據，進行比對，對吊桿索力進行二次調整，得到合理的成橋狀態。

(5)自振特性測試

監測橋梁吊桿更換加固前后自振動力特性的變化，了解吊桿更換前后橋梁豎向剛度變化情況，同時亦為橋梁今后運營養護及長期健康狀況評價提供結構原始參數。

在中孔三片鋼管砼下的吊桿與橋面相交處布置39個測點測試中孔橋面的豎向振型及自振頻率，利用橋梁結構在各種隨機環境激勵(包括日常隨機車輛、行人、天然風、水流、地脈動的組合)下引起的振動響應，采集響應的加速度信號。

5 橋梁吊桿更換監控結果分析

(1)拱肋應力監測結果

在吊桿更換施工過程前后進行應力監測，結果表明，所檢監控測點吊桿更換后出現拉應變增量，增量為0～20με。通過全橋模型計算分析，相對自重產生的應力、活載產生應力、溫度應力而言，更換吊桿前后產生的應力增量所占比重較小，考慮應力疊加后，拱肋并未發生應力集中現象，鋼管混凝土截面承載力滿足承載要求，橋梁處于安全狀態。

(2)橋梁橫梁應力監測結果

監測結果表明，所檢監控測點吊桿更換后出現應變增量，增量為0～14με。

通過全橋模型計算分析，相對自重產生的應力、活載產生應力、溫度應力而言，更換吊桿前后產生的應力增量所占比重較小，考慮應力疊加后，橫梁并未發生應力集中現象，滿足承載要求，橋梁處于安全狀態。

(3)橋梁線形監測結果

由表1和圖4～圖6線形監測結果可知，吊桿更換過程中和新吊桿更換完成后，橋面標高控制高差最大偏差為9.84mm，橋面所有測點標高控制高程均在容許范圍內，橋面未新增由標高誤差過大引起的裂縫，整個過程橋梁處于安全可控狀態。

(4)橋梁吊桿索力監測結果

由表2監控結果可知，吊桿內力和設計索力偏差率基本都在20%范圍內，成橋索力均在吊桿承載能力范圍內。

表1 橋面線形監測結果匯總表

表2 吊桿索力匯總表(單位：kN)

圖4 橋梁上游側橋梁吊桿更換前后橋面高程變化值

圖5 橋梁中游側橋梁吊桿更換前后橋面高程變化值

圖6 橋梁下游側橋梁吊桿更換前后橋面高程變化值

(5)橋梁自振特性測試結果

由表3自振特性測試結果可知，吊桿更換前后橋梁豎向振動基頻基本接近，但更換后基頻略有降低，經分析認為，豎向基頻的略降可能與新、舊吊桿剛度差異引起橋面系與拱肋協同組合剛度變化有關。

表3 自振頻率實測和理論值匯總表

(6)橋梁吊桿更換監控結論

拱肋應力和橫梁應力監測結果表明：三榀拱肋在施工監控過程，應力變化值相對較小，并未出現應力集中的現象；線形監測結果表明：橋梁吊桿更換前后橋面線形最大偏差為9.84mm，索力測試、自振特性測試結果來看，采用當前施工及施工監測方案，橋梁結構的安全性有保障。

6 結語

在本橋的吊桿更換施工監控過程中，通過各項參數指標的調整，對施工單位發出指令，采用橫梁預抬高，臨時吊桿分級張拉等措施，很好的控制橋梁的線形及內力，滿足了施工控制的各項要求，取得了良好的效果，為后期的該橋梁養護提供了基礎數據以及此類橋梁吊桿更換施工監控提供參考。

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