先梁后拱式系桿拱橋吊桿張拉及索力控制研究

蔡軍田

(中鐵九局集團第七工程有限公司，遼寧沈陽 110000)

1 工程概況

新建沈陽至丹東鐵路客運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。該橋為雙線剛性系梁剛性拱橋，跨徑L=95.7 m，全長98 m，系梁與拱肋固接，整個結(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對吊桿，吊桿間距5 m。吊桿索采用PES(FD)7-121成品索，抗拉強度標準值為1 670 MPa，疲勞應力幅200 MPa。鋼絲按GB 5223標準執(zhí)行，雙層HDPE防護，采用LZM7-121帶萬向鉸構(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)預埋鋼管采用張拉桿進行吊桿張拉。吊桿的張拉需在拱肋混凝土強度達到設(shè)計強度的90%以上，且齡期＞14 d以后方可進行。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。施工順序為:系梁支架地基處理→搭設(shè)系梁支架→預壓→安裝模板及支座→綁扎系梁及拱座預埋段鋼筋→預應力孔道安裝→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

當拱肋調(diào)整線形后，且上弦管內(nèi)混凝土強度達到設(shè)計強度的90%以上時即可進行吊桿安裝。吊桿運至施工現(xiàn)場，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?shù)鯒U提升至接近拱肋吊桿套管時，錨頭對準套管后緩緩提升，吊桿伸出錨墊板后上好上錨頭錨固螺母，并安裝好吊桿防護罩，松開鋼絲繩，擰下聯(lián)結(jié)器。

3.2 吊桿張拉

3.2.1 吊桿張拉順序

吊桿施加預應力是系桿拱進行體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序，具有裸拱加載的特點。在本橋施工中，吊桿采用分批對稱張拉，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稱張拉，張拉順序為 1，1'→2，2'→ 3，3'→ 4，4'→ 5，5'→ 6，6'→ 7，7'→8，8'→9，9'。通過有限元計算分析:張拉時拱肋受力不均勻，拱肋局部拉應力較大，張拉 2#，3#，4#，5#吊桿時拱腳處上緣混凝土拉應力較大，其中張拉3#吊桿時拱腳處上緣混凝土的拉應力為5.44 MPa，在1/4截面附近出現(xiàn)4.4 MPa的拉應力，而C50混凝土的軸心抗拉極限強度為3.10 MPa，易產(chǎn)生裂縫。

方案2:從拱腳開始跳躍式分批對稱張拉，張拉順序為 1，1'→2，2'→ 6，6'→ 5，5'→ 8，8'→ 9，9'→ 3，3'→4，4'→7，吊桿張拉力見表1。通過有限元計算分析:張拉時拱肋受力均勻，拱肋局部地方拉應力較小，張拉時不會產(chǎn)生裂縫。對兩種張拉方案進行比較，方案2更為合理可靠。

表1 從拱腳開始跳躍式分批對稱張拉吊桿張拉力

3.2.2 吊桿張拉實施

當拱肋壓漿完成并達到一定要求強度后，可以進行吊桿張拉工作。吊桿張拉時，嚴格按照設(shè)計張拉次序?qū)Φ鯒U進行張拉，且兩個拱肋同時對稱進行。張拉采用應力與伸長量雙控，張拉工藝與預應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、測量、記錄與觀察。張拉過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。張拉過程中為保證索體應力準確，減少應力損失，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

4.1 索力監(jiān)測的必要性與方法

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，將會影響到整個橋梁的正常運營。在梁拱組合體系橋梁中，正確設(shè)計和測定吊桿內(nèi)力，對于確保結(jié)構(gòu)受力合理非常重要。在施工過程中，應根據(jù)設(shè)計要求對吊桿索力進行張拉和調(diào)整，使結(jié)構(gòu)總體進入最佳工作狀態(tài)。成橋后，也應對吊桿拉索進行索力測試，以了解橋梁結(jié)構(gòu)在正常運營下的受力狀況。

目前，在工程實踐中，測定吊桿索力普遍采用的方法有油壓表讀數(shù)法、傳感器標定法和頻率法。前兩種方法一般僅適用于正在張拉的吊桿的索力測定，當需要對己施工完畢的吊桿進行索力復測時，頻率法幾乎是唯一選擇。用頻率法測定纜索張力是首先測定纜索的固有振動頻率，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，是一種間接的測試方法。這種方法只要邊界條件模擬恰當，測量精度很高，通常在5%以內(nèi)。

4.2 頻率法測試索力的基本原理

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

將吊桿看成是兩端張緊的弦，并假定:①張緊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，沒有橫向力的作用;③吊桿是均質(zhì)材料，即ρ(x)=常數(shù)。

則吊桿在張緊狀態(tài)下自由振動方程為

式中:u=u(x，t)為沿吊桿豎向在t時刻x點的橫向振幅;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為吊桿的計算長度;fn為吊桿自由振動時的第n 階頻率，n=1，2，3 ，…。

略去吊桿彎曲剛度的影響，式(2)變?yōu)?/p>

對吊桿而言，張力一定時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度之后，通過測量其自由振動一階頻率(或主振頻率)，就可確定纜索的拉力。K為比例系數(shù)，可通過現(xiàn)場標定準確測得。

4.3 索力測試

4.3.1 卸架前索力測試

拱橋系梁卸架前，對吊桿進行張拉，張拉時先對索力計進行現(xiàn)場標定，所有吊桿張拉完成后，對每根吊桿進行索力測定。

通過對吊桿索力實測值和本階段目標索力值比較，相對誤差均在10%以內(nèi)，滿足落架條件，可以進行系梁落架。待落架完成后，對各吊桿索力進行測試，并與設(shè)計值進行比較，通過比較確定是否調(diào)索，最終確保各吊桿索力在設(shè)計誤差允許范圍以內(nèi)。

4.3.2 卸架后索力測試及調(diào)整

拱橋系梁卸架后對所有吊桿索力進行測試，然后對索力超出設(shè)計誤差允許范圍的吊桿進行調(diào)整，最后對每根吊桿進行索力測試，部分測試結(jié)果見表2。

表2 卸架后吊桿索力測試

通過對吊桿索力實測值和本階段設(shè)計索力值比較，全橋吊桿力控制均勻，各個吊桿實測值與目標值吻合較好，實測值與目標值的誤差均在合理誤差以內(nèi)，從整體和局部來講都是理想的，滿足設(shè)計對吊桿力的要求。

5 結(jié)語

吊桿施加預應力是系桿拱進行體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序，具有裸拱加載的特點。在張拉過程中，應進行全程跟蹤測量，隨時解決張拉過程中出現(xiàn)的異常情況，并根據(jù)實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確數(shù)據(jù)。按照施工現(xiàn)場實際情況，不斷修正方案，順利完成了本橋全部吊桿的張拉工作。對于吊桿設(shè)計、張拉過程認真分析后，得到以下幾點結(jié)論:

1)吊桿采用分批對稱張拉，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稱張拉，拱肋受力不均勻，拱肋局部拉應力較大，超過混凝土的抗拉設(shè)計強度，受力不利。吊桿的張拉順序需要嚴格計算后確定，宜采用從拱腳開始跳躍式分批對稱張拉，使拱肋受力均勻合理。

2)在吊桿張拉過程中，結(jié)構(gòu)隨時都在進行體系轉(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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