系桿拱橋施工控制中的調(diào)索技術(shù)*

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1 工程概況

某系桿拱橋跨徑58 m，橋面寬38.5 m。主橋結(jié)構(gòu)形式為下承式系桿拱橋（簡支梁拱組合體系）。系桿拱橋通過在系梁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，抵消拱肋推力，以使橋墩無需受推力。

2 根相互平行拱肋采用鋼箱截面形式，插入混凝土拱腳。采用鋼絞線整束擠壓吊桿，每個(gè)吊點(diǎn)處橫向布置雙根。上吊點(diǎn)即拱肋端吊點(diǎn)采用耳板式，下吊點(diǎn)即梁端吊點(diǎn)錨固于系梁底面，為張拉端，錨固系統(tǒng)采用整束擠壓拉索錨具，對(duì)稱張拉，即每次同時(shí)張拉8 根吊桿4 個(gè)吊點(diǎn)。橋梁與吊桿布置如圖1。

圖1 吊桿布置

施工步驟為：滿堂支架現(xiàn)澆主梁→吊裝拱圈節(jié)段，在主梁上搭設(shè)支架現(xiàn)場焊接連接拱肋→拆除拱肋支架→初次張拉吊桿→拆除滿堂支架→二次張拉吊桿至設(shè)計(jì)值。

其中，吊桿的張拉是本橋施工中的關(guān)鍵步驟。張拉力的大小及張拉順序的選擇需保證各構(gòu)件尤其是混凝土構(gòu)件的安全性，同時(shí)保證施工完成時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的成橋狀態(tài)。

2 初次張拉吊桿

按張拉方案初次張拉力，卸除滿堂支架后，按頻率法測得索力見表1。

表1 吊桿初張卸架后索力（單位：kN）

表中數(shù)值為吊點(diǎn)處2 根吊桿合力。檢查系梁底部發(fā)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)性微裂縫，尤其在DG3/6和DG4/5底部梁段為多。根據(jù)裂縫外觀，推測其應(yīng)在張拉吊桿之前還在支架上即已形成，與施工單位溝通，推斷應(yīng)是過早拆除支架一部分橫向聯(lián)系桿件所致。

由此，后續(xù)的二次張拉方案，必須考慮主要滿足如下條件：

（a）張拉過程中保證DG3/6和DG4/5吊桿張力，不應(yīng)比現(xiàn)階段減少過多；

（b）系梁最大拉應(yīng)力不應(yīng)比現(xiàn)階段大；

（c）拱腳混凝土不出現(xiàn)過大拉應(yīng)力；

（d）拱肋應(yīng)力控制在容許范圍內(nèi)；

（e）在張拉過程中索力滿足規(guī)范安全系數(shù)；

（f）最終索力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 二次張拉吊桿方案[1-6]

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil建立本橋系桿計(jì)算模型，見圖2。其中，吊桿采用桁架單元，其余為梁單元。橋面系用梁格模擬。

提取吊桿張拉影響系數(shù)矩陣，見表2。

圖2 Midas/Civil計(jì)算模型

表2 吊桿張拉影響系數(shù)矩陣

該系數(shù)矩陣含義如DG4/5這行，表示增加DG4/5單位力，對(duì)其他吊桿的影響數(shù)值，即DG3/6吊桿力將減少0.86，而DG1/8吊桿力卻增加0.08。從該影響系數(shù)矩陣中，可以得出如下規(guī)律：

（a）張拉吊桿只對(duì)旁邊的吊桿有較大影響，對(duì)比較遠(yuǎn)的索影響甚少，如DG4/5的張拉對(duì)DG1/8的索力幾乎無影響，同樣DG1/8的張拉對(duì)DG4/5也幾乎無影響；

（b）DG4/5的張拉將使DG3/6的吊桿力大幅度減少，而DG3/6的張拉對(duì)DG4/5的影響相比而言就小的多。

綜合需滿足的控制條件及上述規(guī)律，試算后初步確定先張拉吊桿DG3/6，再張拉DG4/5。二次張拉開始步驟為：張拉DG3/6至800 kN→張拉DG4/5至1 200 kN→張拉DG3/6至1 200 kN→張拉DG4/5至1 600 kN→張拉DG3/6至2 000 kN→張拉DG4/5至2 400 kN。

優(yōu)先及反復(fù)張拉DG3/6與DG4/5的目的，是為了滿足上述的控制條件第（a）、（b）條，使處于微裂縫較多梁段的DG3/6與DG4/5吊桿始終處于較高的拉力水平，防止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

將上述張拉力輸入Midas/Civil計(jì)算模型試算，發(fā)現(xiàn)系梁應(yīng)力與拱肋應(yīng)力均能滿足要求，但在第5步之后拱腳內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。因此在第4步之后，先張拉拱腳處吊桿DG1/8，再接著張拉中間吊桿。而DG1/8的張拉對(duì)中間吊桿的影響甚少。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)調(diào)索階段，關(guān)鍵的DG3/6與DG4/5吊桿將始終維持在較高拉力水平，而拱腳處也由于DG1/8的張拉而始終處于受壓狀態(tài)。

另外，將1～4步，及DG1/DG8的張拉力代入Midas/Civil計(jì)算，吊桿力結(jié)果見圖3。

此時(shí)，DG2/7的索力接近0，即DG2/7將基本處于松弛狀態(tài)。注意，這時(shí)候的影響系數(shù)矩陣由于DG2/7退出工作，結(jié)構(gòu)剛度改變，則影響系數(shù)矩陣也將改變。

在計(jì)算模型中鈍化DG2/7吊桿，提取退出工作的吊桿張拉影響系數(shù)矩陣見表3。

圖3 Midas吊桿力計(jì)算結(jié)果

表3 DG2/7退出工作的影響系數(shù)矩陣

比較表2與表3，可知由于DG2/7的退出，DG3/6與DG4/5的相互影響變大，比如增加DG4/5單位力，DG3/6吊桿力將減少0.9；增加DG3/6單位力，DG4/5吊桿力將減少0.54。但總體來說，影響系數(shù)變化不是很大。因此，在試算階段，依然可以統(tǒng)一使用表2系數(shù)進(jìn)行手算估計(jì)。詳細(xì)的計(jì)算可最終在Midas/Civil中進(jìn)行。

以后的張拉步驟，既可以使用手工試算，也可利用Midas/Civil中的未知荷載系數(shù)法，順利求解達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)的各個(gè)階段索力。二次張拉最終張拉方案見表4。

表4 二次張拉最終方案

檢查計(jì)算模型每個(gè)施工階段結(jié)果，均能滿足要求。

圖4、圖5分別示出第3、 8張拉階段的理論吊桿力。

圖4 第3張拉階段吊桿力

圖5 第8張拉階段吊桿力

如圖6、圖7所示，出最終階段系梁和拱肋的應(yīng)力圖。

圖6 最終張拉階段系梁應(yīng)力

圖7 最終張拉階段系拱肋應(yīng)力

可知在最終階段，系梁與拱肋最終都處于純壓狀態(tài)。

以該方案指導(dǎo)施工，該橋順利完工，最終實(shí)測成橋索力與理論值見表5。由表可見，成橋階段索力實(shí)測值與理論值吻合較好，誤差基本在5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 成橋索力

4 結(jié)語

施工控制中索力的調(diào)節(jié)，需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況制定相應(yīng)的調(diào)索方案。本文利用吊桿張拉的影響系數(shù)，綜合考慮需滿足的各種關(guān)鍵條件，采取手工調(diào)索與軟件調(diào)索相結(jié)合的辦法，制定出調(diào)索方案，既滿足了該橋施工過程裂縫控制這一特殊要求，又滿足了其他的普遍條件，達(dá)到良好的施工控制效果。