基于Midas Civil的鐵路系桿拱橋索力調整方案探討

褚繼榮 中國鐵路上海局集團有限公司杭州工務段

鐵路下承尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋造型美觀，建筑高度低，跨越能力強;外部靜定結構，適應性強；橋梁結構豎、橫向剛度大，整體橋面對軌道的應對性能好；造價經(jīng)濟，養(yǎng)護方便，設計成系列孔跨應用到鐵路橋梁上來。隨著時間的推移，吊桿索力損失，面臨著吊桿索力調整和換索的難題。

1 工程背景

1.1 工程概況

宣杭線112#東苕溪特大橋正橋結構為提籃式尼爾森體系鋼管混凝土系桿拱橋，在我國鐵路上為首次采用，如圖1所示。系桿拱橋為剛性系梁剛性拱，宣城側 21#墩位于德清縣東苕溪防洪大堤上，杭州側 22#墩位于杭州市西險大塘防汛通道上。正橋全長116 m，計算跨徑112 m，矢跨比f/l=1:5，拱肋采用懸鏈線線型，拱軸系數(shù)1.347，拱肋平面內矢高 22.4 m，固定支座布置在 22#墩上，吊桿布置采用尼爾森體系，斜吊桿平面內水平夾角在52.10°～68.67°之間，橫橋向水平夾角為77°，吊桿長9.1 m～25.5 m，吊桿間距8 m，吊桿索體采用低應力防腐新型索體PES（FD）7-127，邊吊桿為PES（FD）7-139，錨具采用0VWLZM7-127。張拉端設置在拱肋上，吊桿預留孔道內及保護罩空隙內注防腐油脂防護。本橋于2005年8月28日竣工并投入運營（圖1）。

圖1 東苕溪特大橋正橋

1.2 病害情況

該橋竣工于2005 年，運行狀況良好，2011 年對全橋吊桿力進行過一次檢測。2017年對全橋吊桿力重新進行檢測時，發(fā)現(xiàn)全橋吊桿力分布發(fā)生較大變化，如表1所示，其中下行側4號吊桿力與2011年相比損失了30%左右，索力偏差超過規(guī)范值±10%，為了保證橋梁運行安全，使吊桿索力達到規(guī)范要求，同時是全橋吊桿索力分布均勻，對該橋吊桿索力進行調整。

表1 各吊桿實測索力匯總對比表

2 索力調整

2.1 目標和原則

通過調整索力改變全橋拉索的受力狀態(tài)和橋面線型，使橋梁結構達到最佳受力狀態(tài)和線型更接近設計線型，保證列車通行的安全性和舒適性。由于下行4 號吊桿索力偏差為-31%，索力偏差超過規(guī)范值±10% ，本次調索的目標是調索后使下行4 號桿索力達到相對理想受力狀態(tài)，全橋索力相對于目標索力的差值在±5%內，橋面標高與預期值的偏差在±20 mm內。

2.2 有限元模型分析

借助Midas Civil 2017 建立了東苕溪特大橋正橋空間桿系模型，模型全長116 m，計算跨徑112 m，寬15 m，高22.4 m，如圖2。全橋模型包括節(jié)點319個，單元311個。其中系梁使用梁單元模擬，共58 個單元；拱肋使用梁單元模擬，共116 個單元；吊桿使用只受拉桁架單元模擬，共48個單元；系桿使用只受拉桁架單元模擬，共16個單元。

圖2 東苕溪特大橋正橋模型

2.3 荷載

在既有成橋狀態(tài)的基礎上，依據(jù)索力調整方案，按照由系梁兩端向跨中的順序進行吊桿索力調整，分8批進行，共計11根吊桿，對吊桿力進行調整如表2所示。

表2 吊桿索力調整數(shù)據(jù)表

2.4 吊桿調整張拉模擬結果

經(jīng)過全部批次的吊桿力調整，將整修后各吊桿力與整修前及設計吊桿力進行對比，得到圖3、圖4 所示。可以看到，按照擬定方案進行吊桿力調整，可以使得實測時具有較大損失的吊桿內力恢復至接近設計水平，同時保證了實測時具有較大內力吊桿處的內力沒有發(fā)生失控的變化。總體上看，按照該方案進行吊桿力調整與實測吊桿力相比，全橋吊桿力分布相對均勻，但與設計吊桿力相比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在實際測到的個別吊桿內力的突然增大沒有完全解決，上行側9 號比設計值增大27.9%、下行側9’號比設計值增大30.1%，同時上行側10號、下行側6號、10號吊桿內力偏低。

圖3 上行整修后各吊桿力與整修前及設計吊桿力

圖4 下行整修后各吊桿力與整修前及設計吊桿力

3 吊桿調整索力施工方法及工藝流程

3.1 吊桿調整索力的基本要求

本次吊桿調整索力的總體要求是：在保證原橋結構安全的前提下，按照由系梁兩端向跨中的順序進行吊桿索力調整，分8 批進行，共計11 根吊桿，如表1 所示。吊桿調整索力過程中控制吊桿張拉力不超出設計范圍，并通過調整各吊桿的受力狀態(tài)，獲得較理想的橋面線形和內力狀態(tài)。同時，由于鐵路的特殊性，電氣化區(qū)段和交通繁忙，作業(yè)必須在停電施工內進行，吊桿張拉施工期間橋面上應無列車活載，所以作業(yè)時間有限，需改進作業(yè)工序，無法照搬公路調整的施工工序。

3.2 施工工裝

施工工裝由下墊板、張拉螺母、張拉桿、張拉反力架、壓力傳感器、張拉桿螺母、組合千斤頂和液壓電油泵組成，如圖5所示。

圖5 施工工裝圖

3.3 施工工藝流程

吊桿索力調整的工藝流程：施工準備→干涉護欄拆除→吊桿錨頭防護罩拆除，錨頭油脂清理→張拉工裝安裝、調試→反復3次張拉，確定原吊桿索力→正式調索張拉，將吊桿索力張拉至調整吊桿力→拆除張拉工裝→錨頭重新填充防腐油脂，恢復錨頭防護罩→干涉護欄恢復→施工掃尾，工完料清。

3.3.1 施工準備

查閱相關竣工圖紙，核實吊索規(guī)格、錨具尺寸等參數(shù)，為張拉工裝設計以及傳感器的選擇提供可靠依據(jù)。考慮到鐵路施工封鎖天窗的限制，每天的施工時間短，故應配備足夠的施工人員及備用設備，并仔細檢查設備狀態(tài)，減少故障的發(fā)生，提高天窗時長內的工作效率。

3.3.2 干涉護欄拆除及吊桿錨頭防護罩拆除和錨頭油脂清理

（1）本橋工設置了爬梯及護欄，在與張拉工裝有干涉的爬梯及護欄位置進行臨時拆除。同步進行吊桿錨頭防護罩拆除，錨頭油脂清理。

（2）將錨墊板上的油污、廢渣等雜物清理干凈，確保板面清潔干燥；檢查并測量冷鑄錨頭內外螺牙有無破損，是否與錨墊板孔眼中間對正。

3.3.3 調索工藝

吊桿的張拉程序：依次旋入下墊板、張拉連接頭、張拉桿，安裝張拉反力架、傳感器、張拉桿螺母以及組合千斤頂，接好電油泵以及傳感器顯示器，完成張拉準備工作，如圖6所示。

圖6 索力調整張拉組裝圖

啟動油泵，緩慢進油，并觀察吊桿錨固螺母與錨墊板結合情況，待螺母剛剛脫離錨墊板時記錄傳感器數(shù)據(jù)，此時即為該吊桿的錨固索力。

正式調整吊桿索力時，均應先將吊桿索力放松為零后重新張拉至調整值，應分三級進行，每級張拉或放張值不應超過吊桿索力值的40%。根據(jù)傳感器讀數(shù)，確定記錄調整值。按預先計算并確定調索的相應的張拉力，通過電動油泵進油或回油逐級調整索力。如果是降低索力，則先進油張拉至上次張拉的噸位，看錨圈是否有所松動，如果沒有松動，則增加少許拉力，使錨圈松動，反時針擰松錨圈至大于拉索回縮量位置，油泵緩慢回油使拉索索力降低，直到滿足設計要求，隨即擰緊錨圈，量測并檢查索力調整后各項數(shù)據(jù)是否符合設計要求；如果是增加索力，則緩慢進油張拉至設計索力值，隨即擰緊錨圈。由監(jiān)測單位復核索力，檢驗合格，然后固定錨具螺母，拆除張拉工裝，完成單根吊桿的張拉。

3.3.4 工完料清

錨頭重新填充防腐油脂，恢復錨頭防護罩，并用封錨密封膠密封；用電焊將護欄恢復。

4 施工關鍵點

4.1 天窗內各工序時間節(jié)點控制

宣杭線上行線04:20-06:40 線路封鎖140 min，自04:40-06:20 止同時停電100 min，宣杭1620 供電單元同時停電，對應 下 行 線 K190+200 至 K189+900 處 5：00-6：00（封 鎖 60 min）。如何在有限的停電時間內完成索力的調整，對此，我們優(yōu)化了施工流程，壓縮了作業(yè)時間，吊桿索力調整時間分配為：接觸網(wǎng)停電（20 min）；上拱、張拉工裝安裝、調試（30 min）；反復3 次張拉，確定原吊桿索力（10 min）；正式調索張拉，將吊桿索力張拉至調整吊桿力（20 min）；拆除工裝、工完料清（20 min）；施工負責人上拱檢查確認（10 min）；接觸網(wǎng)恢復供電（10 min）。

4.2 改進張拉設備

在施工開始時，我們使用的是傳統(tǒng)的帶有螺絲的千斤頂，使用人力進行頂進工作，使用后發(fā)現(xiàn)無法頂起，且效率太低。立即改用4 臺50 t 的油壓千斤頂 ，縮短了張拉時間，提高了索力張放效率，為索力調整創(chuàng)造了條件。

4.3 線路開通確認，線路軌面的幾何尺寸檢

帶班人員要按施工安排，在施工地段對系桿拱進行全面檢查，線路工區(qū)配合檢查線路軌面的幾何尺寸是否有變化，同時確認無遺留工機具，不影響行車安全，達到放行列車條件，確認材料、機具不侵入限界，并認真做好記錄，及時向施工負責人匯報。

5 吊桿實際調整索力與模擬數(shù)據(jù)對比分析

經(jīng)過全部批次的吊桿力調整，將整修后各吊桿力與有限元模擬調索后理論索力進行對比，得到圖7、圖8 所示。上行共調整7根吊桿，分別為上行2號、2’號、3號、3’號、4’號、5號和7 號，通過分析對比上行吊桿索力，上行1 號整修后索力比有限元模擬調索后理論索力偏低6.6%，上行4 號整修后索力比有限元模擬調索后理論索力偏低7.5%，其余吊桿索力偏差不大，所以調索施工完成后上行線全橋索力與有限元模擬調索后理論索力比較吻合。

圖7 上行整修后各吊桿力與有限元模擬調索后理論索力

圖8 下行整修后各吊桿力與有限元模擬調索后理論索力

下行共調整4根吊桿，分別為下行2號、2’號、3’號、4號，通過分析對比下行吊桿索力，下行1 號整修后索力比有限元模擬調索后理論索力增大11.6%，下行2 號整修后索力比有限元模擬調索后理論索力偏低5.9%，下行4 號整修后索力比有限元模擬調索后理論索力偏低5.1%，下行2’號整修后索力比有限元模擬調索后理論索力偏低5.8%，其余吊桿索力偏差不大，所以調索施工完成后下行線全橋索力與有限元模擬調索后理論索力比較吻合。

6 結束語

吊桿是系桿拱橋十分重要的構件，可謂是系桿拱橋橋的“生命線。國內鐵路有關吊桿索力調整的經(jīng)驗不多，本文結合宣杭線112#東苕溪特大橋系桿拱吊桿索力調整施工，對吊桿索力調整的原則、施工工藝及監(jiān)測手段，以有限元分析軟件Midas Civil 2017 建立的模型，制定調索方案，對吊桿索力進行研究，結果表明：

（1）通過工程實踐，索力調整后下行線4號吊桿索力可恢復至接近設計值，全橋吊桿索力分布比調整前均勻。按數(shù)值模擬的調索順序和設計值進行現(xiàn)場施工，調整后5 根吊桿索力值比數(shù)值模擬值低 5.1%～7.5%，1根吊桿索力值比數(shù)值模擬值大 11.6%，其余吊桿索力相差不大。

（2）采用的索力調整方法和工程實踐為鐵路系桿拱橋吊桿索力調整積累了寶貴的經(jīng)驗，可作為類似工程的參考。

（3）按照調整方案進行整修，可以使不具有很大內力的吊桿在內力增加的同時將損失較大的吊桿內力調整至設計值附近，使得吊桿力相對均勻。但與設計吊桿力相比仍有一定差距，主要體現(xiàn)在保留了部分較大吊桿內力的實測值沒有進行調整。