下承式系桿拱橋施工監控過程中索力的測試與調整

張衛鋒

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市200444）

下承式系桿拱橋施工監控過程中索力的測試與調整

張衛鋒

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市200444）

在系桿拱橋施工過程中，吊桿索力的大小直接影響著成橋線形及結構的內力分布。為此，在施工監控過程中，應對吊桿索力進行精確測試與調整。現結合實際工程，對常規索力測試方法進行改進，并介紹調索方法，以期對同類工程有所借鑒。

下承式系桿拱橋；施工監控；索力測試；索力調整

1 概述

下承式系桿拱橋屬拱和梁相組合而成的拱橋，橋跨結構由拱肋、懸吊結構和橫向聯結系三部分組成，行車道在拱肋之下。拱和梁在兩端固結，中間用吊桿聯結，簡支于橋梁墩臺上，受力明確，是外部靜定、內部超靜定的結構。拱的水平推力由系梁承受。橋型整體具有外形美觀，結構輕巧等特點，近年來該橋型在國內得到了廣泛的應用。

對于下承式系桿拱橋，吊桿內力的大小影響著成橋時結構各部位，特別是縱梁的線形和內力分布。因此，在系桿拱橋施工監控過程中，對索力的準確測試及索力調整是關鍵內容之一。施工過程中的吊桿索力測試與調整具體可分為兩部分：第一部分是對各施工階段索力的測定，確定各施工階段的吊桿實測索力值；第二部分是在實測索力的基礎上對索力進行調整，以確保成橋后吊桿索力滿足設計要求。在實際施工過程中，由于施工環境的復雜性，施工過程中的階段吊桿索力與設計值會有所偏差，只有準確測定吊桿在各施工階段的索力值，才能夠在實測索力的基礎上將成橋索力調整至設計索力目標值，索力測試與索力調整相輔相成而又相互影響。

2 吊桿索力測定方法

2.1 常規吊桿索力測定方法

當前索力測定的方法主要有千斤頂油壓讀數法、壓力傳感器讀數法和頻率法。油壓讀數法是利用千斤頂油壓讀數與張拉力的比例關系，將油壓表讀數換算成張拉力。該方法是施工過程中最常用的索力測定方法。壓力傳感器讀數法是錨頭內部安裝壓力傳感器，張拉時可直接讀出張拉力值。頻率法是測定索體的自振頻率，根據自振頻率計算出索力值。頻率法操作簡單，可重復利用，是成橋后索力測試最常用的方法。

然而，上述方法均有優缺點，千斤頂油壓讀數法只能讀出單根吊桿張拉時的索力值，由于每根吊桿在張拉時均對其余吊桿有影響，因此張拉后續吊桿時并不能確定先張拉的吊桿實際索力值。壓力傳感器法不利于吊桿錨頭防腐且價格昂貴，一般不采用。頻率法雖然方便，但由于吊桿受兩端約束條件，截面剛度等影響，由自振頻率計算索力時很難精確確定計算索長，另外，頻率法也較難測出靠近拱腳的短吊桿的低階頻率。

2.2 吊桿索力測定的改進方法

目前施工時測定吊桿索力一般采用千斤頂油壓表讀數法，成橋后采用頻率法，在計算吊桿索力時，按照吊桿的計算長度換算出索力，然而，吊桿的計算長度由于受兩端約束、截面剛度的影響，直接采用計算長度計算出的吊桿索力與實際吊桿索力有所偏差。因此，在施工監控過程中，可將油壓表讀數法和頻率法相結合，根據實測索力結果對吊桿長度予以修正，再以修正后的吊桿長度作為頻率法的計算長度。具體做法如下：

（1）千斤頂張拉每根吊桿時讀取油壓表讀數，換算出索力值。

（2）張拉完畢后，采用頻率法測定該吊桿的頻率。

（3）將測定的索力及頻率代入公式（1）（即為吊桿兩端固結并考慮截面剛度），反算出吊桿計算長度。

（4）重復上述過程，將全橋的吊桿計算長度逐一進行修正。

（5）以（3）中修正的吊桿長度作為后續頻率法測定索力的計算長度，測出各施工階段的吊桿頻率，進而計算出吊桿索力值。

3 吊桿索力調整的理論基礎及方法

3.1 吊桿索力調整的理論基礎

在施工監控過程中，吊桿張拉過程是分批分階段張拉的，在張拉過程中伴隨著結構變形、系桿支承體系的變化和內力重分配等，前期張拉完的吊桿拉力直接影響后期吊桿的張拉力。因此，在系桿拱橋施工監控過程中須對所有的吊桿力進行調整。

在目前系桿拱橋施工過程中，控制吊桿張拉力采用的方法有剛性支承連續梁法、零位移法和彎矩最小法等。但最為常用的是基于影響矩陣法對系桿拱橋進行調索。影響矩陣法是以每根吊桿的張拉力控制值為基本，給吊桿施加單位力，利用計算軟件求出單位力作用下的吊桿內力矩陣，建立典型方程，通過求解線形方程組得到每根吊桿調整的張拉力控制值，從而使得最終的吊桿索力達到設計要求。

假設當前施工階段各吊桿索力為 T01、T02、T03…T0i…T0n，計作[T0]；設計目標索力為T1、T2、T3…Ti… Tn，計作[T]，得出各吊桿需調整的索力值：ΔT1、ΔT2、ΔT3…ΔTi…ΔTn，計作[ΔT]，則有：

由公式（2）可求得吊桿索力調整值：

需要注意的是，使用式（3）進行吊桿索力調整時，結構應處于線性狀態，一般應用于初張拉完成以后的階段，另外，由上式求得的是索力增量值而不是千斤頂張拉力值，而千斤頂張拉力值則須根據張拉順序重新求解。

3.2 吊桿調索具體實施方法

在系桿拱橋施工監控過程中，通常以設計給定的索力為控制目標，根據施工工序確定各施工狀態。由式（3）可知，索力增量與張拉順序無關，即不論先調整哪根吊桿的索力，待所有吊桿索力調整完，都會得到同樣的結果，從而達到設計目標索力。然而，在實際調索工程中須選定順序，因為千斤頂的張拉力與調索順序密切相關，結構的內力也隨著索力調整而變化。因此，在系桿拱橋調索時，應遵循如下原則：（1）吊桿索力調整時，為保證結構安全，盡量使結構的內力或撓度變化幅值最小；（2）為縮減調索的步驟，盡可能做到只調整部分吊桿的索力；（3）由于各索相互影響，在吊桿調整過程中，要保證每根吊桿的索力均在安全范圍內。

根據上述原則，系桿拱橋具體吊桿調索實施方法如下：

（1）測定每根吊桿的頻率，按照修正后的吊桿長度逐一求出每根吊桿當前狀態下的實際索力。

（2）將實測的索力輸入計算模型，由于施工過程中存在誤差，實測的索力很難與理論計算模型中得到的索力完全吻合，因此須對計算模型進行先倒拆再正裝的迭代計算。實際上，此倒拆-正裝迭代計算為虛擬模擬計算過程，正裝分析完成后模型中的各吊桿索力即為當前狀態下的實測索力。

（3）擬定吊桿索力調整張拉順序，在反復試算的基礎上找出最優吊桿調整順序。

（4）各吊桿索力調整完成后，再次用頻率法測定吊桿的索力，驗證調整后的索力是否達到索力設計值。

上述調索實施方法可用如下流程圖表示（見圖1）。

圖1 吊桿調索實施流程圖

4 工程實例

某下承式鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑52 m，矢跨比為1/4.78，縱橫梁格體系，拱肋采用單圓鋼管截面，內灌混凝土，拱肋間設三道圓形風撐。全橋共設28對吊桿，吊桿間距3.0 m，吊桿線密度21.5 kg/m，施工工藝為先拱后梁。圖2為吊桿編號示意圖。

圖2 吊桿編號示意圖

4.1 吊桿索力測試結果

按照前述，采用千斤頂油壓表讀數法與頻率法相結合，根據修正后的吊桿長度測得各吊桿索力，見表1所列。

表1 調索前實測吊桿索力匯總表

表1中E和W分別代表東西兩側拱肋，由表中可以看出，修正后的吊桿長度均小于理論吊桿長度，其中邊吊桿最為明顯。調索前各吊桿索力不均勻，索力最大值630 kN，最小值僅有434 kN。

4.2 吊桿索力調整

將實測索力輸入計算模型，對計算模型進行倒拆-正裝迭代分析，最終選擇按照1-14-8-7-3-12-10-5-2-13-4-11-6-9的吊桿索力調整順序，調索后各吊桿索力見表2所列。

表2 調索后各吊桿索力值匯總表

由表2可知，調索后實測吊桿索力比設計成橋索力偏大，其中東側E5實測索力比理論索力大5.0%，西側W7實測索力比理論索力大5.2%，其余誤差均在5%以內，調索后各吊桿索力基本滿足要求。

5 結論

（1）下承式系桿拱橋在施工監控過程中，為保證吊桿索力測試精度，建議采用千斤頂油壓表讀數法與頻率法相結合，關鍵是對吊桿計算長度的修正。

（2）調索時以設計索力為目標值，由實測索力通過倒拆-正裝分析，在保證結構安全的前提下優化張拉順序，確保理論分析與實際施工相一致。

U446.2

B

1009-7716（2017）04-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.040

2017-01-17

張衛鋒（1983-），男，山東曹縣人，碩士，工程師，從事舊橋加固設計及施工監控工作。