下承式拱橋索力調(diào)整對(duì)橋面線形的影響

許旭卯

(浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司,浙江 杭州 310012)

1 概 述

隨著社會(huì)的發(fā)展,大跨度橋梁越來越多地進(jìn)入到人們的視線中。現(xiàn)如今,城市橋梁的建設(shè)不僅在功能上需要適配城市的發(fā)展,在外觀上更是需要作為城市一景。因此,下承式拱橋、懸索橋、斜拉橋等橋型越來越受到人們的青睞,而以上幾種橋型均離不開拉索。就下承式鋼箱拱橋而言,橋面線形、索力、拱線形是一個(gè)整體,任何一項(xiàng)的變化均會(huì)引起全橋應(yīng)力及線形的變化。也正是因?yàn)檫@一點(diǎn),使得施工監(jiān)控過程中通過索力的調(diào)整來糾正橋面線形的偏差成為可能。

橋面線形與理論線形相符是施工監(jiān)控的主要目標(biāo)之一,良好的成橋線形需要精準(zhǔn)的前期計(jì)算，需要精確的過程控制以及后期線形與索力的協(xié)調(diào)調(diào)整。施工方法采用工廠預(yù)拼裝—現(xiàn)場(chǎng)滿堂支架拼裝—吊索張拉—落架體系轉(zhuǎn)換等過程。施工監(jiān)控大致可以分為兩個(gè)階段：第一階段是根據(jù)理論計(jì)算預(yù)拋高線形在滿堂支架上對(duì)主梁進(jìn)行拼裝,拼裝過程中通過不斷地糾偏使拼裝線形與理論計(jì)算相符；第二階段是吊索張拉完成，主梁脫架后全橋結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變,這個(gè)過程中有兩大因素影響橋面線形,其一是索力的大小,其二是鋼箱梁脫架后自身的變形。由于索力初張拉的誤差及鋼箱梁脫架實(shí)際位移與理論計(jì)算位移的誤差等影響,造成本施工階段橋面線形與理論線形存在偏差。

2 索力調(diào)整手段

2.1 索力調(diào)整原則

在拱橋施工監(jiān)控過程中,以設(shè)計(jì)給定的索力為控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)索,通過理論計(jì)算可知,索力增量與張拉順序無關(guān),即不論先調(diào)整哪根吊桿的索力,待所有吊桿索力調(diào)整完,都會(huì)得到同樣的結(jié)果,從而達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)索力。然而,在實(shí)際調(diào)索工程中須選定順序,因?yàn)榍Ы镯數(shù)膹埨εc調(diào)索順序密切相關(guān),結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也隨著索力調(diào)整而變化。因此,在下承式拱橋調(diào)索時(shí),應(yīng)遵循如下原則：1)安全性，調(diào)整時(shí)要盡量使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力或撓度變化幅值最??；2)為縮減調(diào)索的步驟,盡可能做到只調(diào)整部分吊桿的索力；3)索力、線形、應(yīng)力相互關(guān)聯(lián),調(diào)索前,需對(duì)全橋進(jìn)行計(jì)算分析,以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全[1-2]。

2.2 索力調(diào)整手段

當(dāng)橋面線形存在偏差后,需對(duì)該階段橋面線形、索力、拱線形進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量數(shù)據(jù)采用軟件進(jìn)行仿真模擬計(jì)算后,在應(yīng)力、線形、索力均朝著良好的方向發(fā)展的情況下,才可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)索力調(diào)整。理論數(shù)值主要采用MIDAS CIVIL進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符,通過多次模擬計(jì)算,選出最優(yōu)方案,制定調(diào)索細(xì)則。

工程現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)調(diào)索細(xì)則對(duì)索力進(jìn)行調(diào)整,由于每根吊桿在張拉時(shí)均對(duì)其余吊桿有影響,張拉后續(xù)吊桿時(shí)并不能確定先張拉的吊桿實(shí)際索力值。因此,每調(diào)整一根索力,需對(duì)全橋索力進(jìn)行測(cè)試,并及時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如發(fā)現(xiàn)偏差,應(yīng)立即采取糾偏手段,以確保索力的調(diào)整效果。

索力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要有三種方法：一是油壓表讀數(shù)法,油壓讀數(shù)法是利用千斤頂油壓讀數(shù)與張拉力的比例關(guān)系,將油壓表讀數(shù)換算成張拉力。此方法是施工過程中最常用的索力測(cè)定方法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、實(shí)時(shí)讀數(shù),缺點(diǎn)是只能對(duì)單根索力進(jìn)行測(cè)試,不適用于調(diào)索。二是壓力傳感器讀數(shù)法,但壓力傳感器法不利于吊桿錨頭防腐且價(jià)格昂貴,一般不采用。三是頻率法,頻率法是測(cè)定索體的自振頻率,根據(jù)自振頻率計(jì)算出索力值。頻率法操作簡(jiǎn)單,可同時(shí)對(duì)多根索力進(jìn)行測(cè)量,是成橋后索力測(cè)試最常用的方法。但由于吊桿受兩端約束條件及截面剛度等影響,由自振動(dòng)頻率計(jì)算索力時(shí)很難精確確定計(jì)算索長(zhǎng)；另外,頻率法也較難測(cè)出靠近拱腳的短吊桿的低階頻率[2]。

鑒于幾種索力測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)及局限性,本次索力調(diào)整選取頻率法為主,油壓表讀數(shù)法為輔進(jìn)行。選取3組拉索同時(shí)用兩種方法進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)油壓表法對(duì)頻率法的索長(zhǎng)進(jìn)行修正,后續(xù)頻率法索長(zhǎng)參考修正。

由于頻率法較難測(cè)出靠近拱腳的短吊桿的低階頻率,因此,本次調(diào)索不考慮調(diào)整靠近拱腳的短索,主要是對(duì)近跨中位置的長(zhǎng)索進(jìn)行調(diào)整。

2.3 索力調(diào)整步驟

1)采用頻率法測(cè)量每根索力的頻率,并通過油壓表法對(duì)每根索長(zhǎng)進(jìn)行修正,按照修正后索長(zhǎng)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的索力。

2)對(duì)全橋當(dāng)前狀態(tài)下的線形、應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

3)將實(shí)測(cè)的索力輸入計(jì)算模型,由于施工過程中存在誤差,實(shí)測(cè)的索力很難與理論計(jì)算模型中得到的索力完全吻合,因此須對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行先倒拆再正裝的迭代計(jì)算。實(shí)際上,此倒拆-正裝迭代計(jì)算為虛擬模擬計(jì)算過程,正裝分析完成后模型中的各吊桿索力即為當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)測(cè)索力。通過多次模擬計(jì)算,選擇最優(yōu)調(diào)索方案,并制定調(diào)索細(xì)則。

4)根據(jù)理論計(jì)算的調(diào)索細(xì)則,對(duì)第一根拉索進(jìn)行調(diào)整,并在調(diào)整后及時(shí)測(cè)量全橋線形、應(yīng)力及索力。

5)再次將全橋?qū)崪y(cè)索力、應(yīng)力、線形輸入計(jì)算模型,如無偏差,按照細(xì)則繼續(xù)進(jìn)行下一根索力調(diào)整,直至調(diào)索完成。如有偏差,將偏差采用MIDAS CIVIL進(jìn)行仿真分析,重新計(jì)算,采取初調(diào)—測(cè)量—計(jì)算—復(fù)調(diào)—復(fù)測(cè)進(jìn)行不斷地試調(diào),并修正調(diào)索細(xì)則,不斷重復(fù),直至調(diào)索完成。

6)各吊桿索力調(diào)整完成后,再次用頻率法測(cè)定吊桿的索力、線形、應(yīng)力,如達(dá)到調(diào)索目標(biāo),即可進(jìn)行下一個(gè)工況施工,如未達(dá)到調(diào)索目標(biāo),需分析偏差對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。

7)調(diào)索流程圖見圖1。

圖1 調(diào)索流程圖

3 工程實(shí)例

浙江杭州某橋工程采用“三水共融”下承式鋼箱拱橋(圖2),跨徑布置為252 m+106 m=358 m,主跨拱肋采用空間布置,立面拱軸線型為二次拋物線,矢跨比1∶4.75,主拱矢高位52.81 m,一側(cè)為單片拱,另一側(cè)為雙片拱,在接近拱頂區(qū)域分叉；邊跨拱肋采用單片拱,拱軸線型為拋物線,一端支撐于邊跨邊墩,一端支撐于主跨拱肋分叉點(diǎn)；主跨吊桿單片拱側(cè)采用單索面布置,梁上吊點(diǎn)位于中央分隔帶內(nèi),雙片拱肋側(cè)采用空間索面,邊跨吊桿采用單索面布置,梁上吊點(diǎn)位于中央分隔帶內(nèi)；箱梁采用扁平鋼箱梁,梁高3.5 m,標(biāo)準(zhǔn)寬度34 m,中墩拱梁結(jié)合段處順應(yīng)總體布置需要逐漸變寬至最大橋?qū)?3 m。主橋MIDAS CIVIL計(jì)算模型見圖3。

3.1 索力調(diào)整前主橋各拉索索力及橋面線形狀態(tài)

截止索力張拉,主梁脫架工況,橋面線形與設(shè)計(jì)線形對(duì)比后,實(shí)測(cè)橋面縱坡較設(shè)計(jì)縱坡大,同時(shí)實(shí)測(cè)索力也較理論索力大。在對(duì)全橋索力、線形、應(yīng)力進(jìn)行通測(cè)后,通過計(jì)算模型模擬分析,認(rèn)為通過索力調(diào)整可以使橋面線形朝著良好的方向發(fā)展。故而進(jìn)行調(diào)索。

圖2 主橋主跨拉索分布圖

圖3 主橋MIDAS CIVIL計(jì)算模型

3.2 索力調(diào)整方案

將實(shí)測(cè)的索力輸入計(jì)算模型,對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行先倒拆再正裝的迭代計(jì)算。通過多次模擬計(jì)算,選擇最優(yōu)調(diào)索方案。以主梁最大變形50 mm為調(diào)整目標(biāo),對(duì)如下幾對(duì)索進(jìn)行調(diào)整,本次調(diào)索方案見表1。

表1 調(diào)索方案

續(xù)表1

3.3 調(diào)索成果

通過表1及圖4、圖5可以看出,拉索初張拉后索力偏大且全橋索力分布不夠線性；調(diào)索前,橋面縱坡較設(shè)計(jì)值大。通過模擬仿真計(jì)算,可以得到理想的調(diào)索方案。通過調(diào)索,橋面線形、索力均得到了良好的改善。

4 結(jié) 語

線形控制是橋梁施工監(jiān)控的重中之重,為了得到較為理想的成橋線形,施工過程中的糾偏手段顯得尤為重要。下承式拱橋在拉索初張拉后,須對(duì)線形、應(yīng)力、索力等參數(shù)進(jìn)行全橋通測(cè),通過軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,采用調(diào)索的手段對(duì)索力、線形進(jìn)行糾偏。此方法在本工程中取得了良好的效果,可供借鑒。

圖4 調(diào)索前后索力對(duì)比圖

圖5 調(diào)索前后橋面線形對(duì)比圖