拱橋吊桿更換施工控制關鍵技術研究

郭 俊，胡 寧，崔 鑫

（1.上海市建筑科學研究院有限公司，上海市 200032；2.上海滬杭路橋實業有限公司，上海市 201600）

0 引言

自20 世紀八九十年代起，我國興建了大量中承式系桿拱橋。中承式系桿拱橋整體受力體系復雜，其中的吊桿既作為拱橋結構受力的重要傳導構件，亦是極易受到外部環境侵害的部位[1]。在長期反復荷載作用下，吊桿極易發生疲勞性損壞；同時在外部環境作用下，吊桿還易因外部防護裝置不當或破損使得腐蝕性介質進一步侵蝕到其體系內部，進而引起更嚴重的損傷。改革開放以來修建的大部分系桿拱橋的吊桿使用年限已逼近極限，而吊桿更換技術仍處于相對不成熟的探索階段，加之國內各種新材料、新技術、新工藝的逐步推行，結構受力體系復雜的系桿拱橋層出不窮，因而亟需積累大量相關拱橋吊桿更換的技術經驗或資料，以便形成一套完善的施工指導體系[2]。因此，對中承式拱橋的吊桿更換技術以及施工監控進行研究有著深遠的現實意義。

1 工程背景

某飛鳥式中承式鋼管混凝土系桿拱橋跨徑為85.0 m，主拱圈矢跨比1/3.5，拱軸線形式為懸連線，拱軸系數為1.3，邊跨標準跨徑為25.15 m，拱軸線形式為圓曲線，半徑R=39.854 m。主橋共設置2 根系桿和2 條縱肋，行車道橫梁采用預應力混凝土結構，縱向間距按4.0 m 布置；橫向T 梁截面尺寸：0.5 m（肋寬）×（1.5～1.67）m（梁高）。行車道板為鋼筋混凝土結構，預制板厚18 cm，現澆板厚15 cm。

吊桿采用成品索，為PES（FD）5-121 熱擠聚乙烯拉索，PESM 5-163 冷鑄墩頭錨固體系，拱肋端作張拉端，行車道橫梁端作固定端。吊桿為平行垂直布置的平面索，吊桿全橋共16 對，標準索距為4 m。主橋縱、橫斷面圖見圖1、圖2。

圖1 拱橋縱斷面圖（單位：cm）

圖2 拱橋橫斷面圖（單位：cm）

該橋現場檢測結果表明：吊桿索力測試值與設計值偏差較大；大部分吊桿上錨頭護套均銹蝕，下錨頭封錨處均滲水銹蝕且護套破損嚴重。依據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H 21—2011），全橋技術狀況評為4 類。現場吊桿主要病害見圖3、圖4。

圖3 吊桿上錨頭護套銹蝕

圖4 吊桿下錨頭封錨處滲水

基于檢測結果，擬對主橋共計32 根吊桿（X1～X16、D1～D16）進行更換。按照從南至北進行編碼，D 代表東側吊桿，X 代表西側吊桿，其中D1 代表東側拱南側方向第1 根吊桿，以此類推。換索順序見圖5。

圖5 換索施工示意圖

2 施工監控思路

2.1 施工工藝

主橋吊桿更換方案擬采用臨時吊桿系統，該方案需在拱上和梁上設置鋼橫梁兜吊系統[3]。吊桿更換從最短的1#、16# 吊桿開始，成對由兩端向中央對稱更換，東西拱肋同編號吊桿依次交錯施工；臨時吊桿系統共計4 組，根據施工部位逐處移動使用。

吊桿更換施工過程主要分為2 個內力轉換階段：第1 階段為臨時吊桿張拉、舊吊桿卸載；第2 階段為新吊桿張拉、臨時吊桿卸載。

2.2 施工監控思路

為保證吊桿更換過程中主橋結構受力體系始終處于安全狀態，更換完成后各項指標能夠滿足標準規范要求和設計要求，需全程對吊桿更換進行監控[4]。施工監控過程應針對誤差進行有效修正，具體按：施工→量測→判斷→修正→預告→施工進行循環。施工監控過程流程圖見圖6。

圖6 施工監控過程流程圖

3 施工控制關鍵技術研究

3.1 施工仿真分析

仿真計算分析是施工監控過程中的重要理論分析方法。仿真計算分析主要包括2 個步驟：

首先，對施工設計圖紙進行計算復核。復核內容包含橋梁各部件結構幾何尺寸、鋼筋布置等；依據相關設計要求及標準規范要求，對成橋階段及各施工階段的設計變位、內力等進行復核計算，并與設計計算內容進行校核比較。

其次，對施工各個階段進行跟蹤計算。由于理論設計參數與實際參數必然存在差異，加之施工荷載、施工方法等不可能與理論結果保持一致，在按照設計單位和施工單位確定的施工工藝進行施工時，應實時收集施工各個階段的數據參數，對施工過程進行反復計算；同時按照隨機控制方法計算確定考慮預測反饋的控制作用，并采用實時向前分析方法計算確定計入各種影響的實際結構狀態，對施工過程進行實時監控[5-6]。

施工過程仿真計算采用專業有限元軟件Midas/Civil2020，圖7 為空間有限元模型圖。其中拱肋、橫撐、縱橫梁采用梁單元，吊桿采用只受拉單元，橋面板采用板單元。

圖7 空間有限元模型圖

3.2 位移影響矩陣計算

為了確定在吊桿更換過程中橋面標高變化與吊桿力變化之間的關系，擬通過有限元模型對位移影響矩陣進行計算。

假設在有限元模型中的吊桿上下吊點施加1 對單位力，通過分析計算得到吊桿處的橋面位移，則全橋位移矩陣為：

式中：n 代表一側拱肋的吊桿數。

由上述位移影響矩陣能夠求得任意荷載作用下任意位置處的標高變化。利用位移影響矩陣，可以明確吊桿更換過程中不同監控指標的敏感性。本橋的位移影響矩陣計算結果為：

3.3 施工控制指標確定

不同臨時吊桿張拉情況下，吊桿處橋面位移見表1。

表1 不同張拉工況下吊桿處橋面位移變化表 單位：mm

由表1 可知，在縱梁、橋面鋪裝剛度的影響下，拱肋最外側的3 根吊桿（D1～D3、D14～D16、X1～X3、X14～X16）的橋面標高變化在不同的張拉工況下均小于1.0 mm，這些吊桿的橋面標高變化對吊桿力的變化不敏感，因此這12 根吊桿施工監控的指導原則為“以吊桿力監控為主，兼顧位移監控”；其余吊桿的施工監控原則為“以位移監控為主，兼顧吊桿力，同時在力轉化的最后一級進行細化”。

3.4 施工監測體系建立

施工監測體系主要包括結構線形監測、結構應力監測和吊桿力監測。

橋面和拱肋的線形觀測是控制成橋線形最主要的依據。為保證局部逐級施工的安全性，更換每根吊桿時，必須對該吊桿及相鄰2 根吊桿處的橋面高程和拱肋線形進行跟蹤測量。

結構應力監測采用振弦式表面應變計以及自動化采集設備。應變傳感器能夠實現實時溫度監測，在保證傳感器得到溫度補償的同時，可提供施工期間的環境溫度和梁體結構溫度場數據。

吊桿力監測采用張拉吊桿時千斤頂油壓法和環境隨機振動法綜合進行。利用油壓表數值和頻率法數值對吊桿計算長度進行修正，基于修正的吊桿計算長度可以提高后續頻率法測量吊桿力的精度。

全橋施工監測體系的測點布置圖見圖8。

圖8 全橋施工監測體系的測點布置圖

4 施工控制結果與分析

4.1 吊桿更換過程中監測結果

在吊桿更換過程中，所有32 根吊桿的橋面標高變化量均在-3.0～1.0 mm 之間，變化量均在±5 mm以內，表明橋面標高得到了較好的控制。以X3 吊桿為例，更換過程中，對應橋面標高的變化趨勢圖見圖9。

圖9 X3 吊桿更換過程相對標高變化趨勢

在吊桿更換過程中，主縱梁各測點的應變變化量大部分控制在-30～+20 μm/m 以內，東西側拱肋各測點的應變變化量大部分控制在-70～+80 μm/m以內；加上橋梁恒載后，總應力小于結構的容許應力，說明在本次吊桿更換施工過程中東、西縱梁和拱肋的應力變化量符合標準規范要求。

更換吊桿X 10 時東、西縱梁跨中應變變化趨勢圖見圖10；西側拱肋跨中應變變化趨勢圖見圖11。

圖10 更換吊桿X10 時東、西縱梁跨中應變變化趨勢圖

圖11 更換吊桿X10 時西側拱肋跨中應變變化趨勢圖

4.2 吊桿更換后測量結果

吊桿更換完成后，對全橋橋面標高進行測量的結果表明，各測點的高程變化為-9～+4 mm，滿足設計各吊桿橋面標高與更換前橋面標高差值不得大于10 mm 的要求。吊桿更換完成后拱肋各測點的高程變化為-1.7～+1.6 mm，表明整個更換過程對拱肋的影響較小，符合設計要求。

索力測試結果表明，西側拱肋吊桿除去拱肋兩側短吊桿，其余吊桿力與設計吊桿力比值為0.95～1.15；東側拱肋吊桿除去拱肋兩側短吊桿，其余吊桿力與設計吊桿力比值為0.96～1.19。吊桿更換的吊桿力滿足設計要求。

5 結語

（1）本橋施工監控結果表明，吊桿更換后橋面線形、拱肋線形、吊桿力、主縱梁及拱肋應力應變的監測結果符合設計與規范要求。

（2）施工控制中應選取合適的結構有限元分析程序，對施工過程進行模擬和分析，為施工控制指標的選擇奠定基礎。

（3）中承式系桿拱橋施工監控應堅持貫徹以下原則：在滿足橋面高程變化要求的前提下，對吊桿力、拱肋高程和應力進行多方面監測；針對不同的吊桿選擇不同的控制指標。

（4）拱橋吊桿更換施工控制的指標體系可以利用位移影響矩陣進行計算和分析。

（5）吊桿力監測應同時采用千斤頂油壓法和環境隨機振動法進行，并利用油壓表數值和頻率法數值對吊桿計算長度進行修正。該吊桿計算長度也可為后續運維期吊桿力的測量提供參考。