重載保通需求下拱橋吊桿更換關(guān)鍵技術(shù)

楊浩, 盧文勝

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092；2.上海浦東新區(qū)公路建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200135)

吊桿拱橋在中國(guó)20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始大量建設(shè)，其應(yīng)用范圍涵蓋市政、公路、鐵路等各種交通線路。

受吊桿拱橋的構(gòu)造形式特點(diǎn)影響，吊桿成為該類型拱橋承載體系中關(guān)鍵的受力和內(nèi)力傳遞構(gòu)件，在運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)、維修不當(dāng)，以及沖擊、火燒、人為破壞等因素影響，都會(huì)造成吊桿損傷，繼而導(dǎo)致拱橋喪失承載能力[1]?？紤]材料老化、腐蝕等現(xiàn)象的影響，中國(guó)規(guī)范[2]規(guī)定，吊桿(吊索)作為可更換部件，其設(shè)計(jì)使用年限為20年。目前國(guó)內(nèi)外常采用吊桿更換的方式來(lái)延續(xù)吊桿拱橋的使用壽命[3]。

然而在城市道路的拱橋吊桿更換項(xiàng)目中，由于施工時(shí)需要中斷交通封閉施工，造成城市交通擁堵?tīng)顩r時(shí)有發(fā)生。特別對(duì)于生產(chǎn)廠區(qū)集中的區(qū)域，其道路交通存在重載車輛比例高、車流行駛速度慢等特點(diǎn)，封交施工對(duì)道路交通的影響已超出了局部路網(wǎng)的范圍，處理不當(dāng)可能會(huì)造成階段性、區(qū)域性交通擁堵甚至癱瘓。

因此在滿足施工質(zhì)量、安全、監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度等多方面嚴(yán)格要求下減小對(duì)路網(wǎng)交通的影響，逐步成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。該文通過(guò)典型吊桿拱橋工程案例的計(jì)算分析、實(shí)施總結(jié)，對(duì)重載保通需求下的吊桿更換施工重要工序、關(guān)鍵參數(shù)和核心技術(shù)進(jìn)行研究。

1 重載保通需求分析

1.1 拱橋概況

某大橋總長(zhǎng)439.5 m，由北引橋、主橋及南引橋三部分組成，跨徑組合為8×22.0 m(北引橋)+87.5 m(主橋)+8×22.0 m(南引橋)，其中主橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋，引橋均為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力空心板梁橋，橋型結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖1。其中，主橋跨徑為87.5 m，由2榀鋼管混凝土拱肋、2×15根吊桿、4道K形圓鋼管風(fēng)撐、2根縱向系梁、17道橫梁(2道端橫梁、15道中橫梁)、橋面板及下部橋墩組成。其中吊桿間距為5 m，每根吊桿與1道中橫梁對(duì)應(yīng)，東拱吊桿編號(hào)D1～D15，西拱吊桿編號(hào)X1～X15。

圖1 橋型結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，平均高度為2.4 m，系梁靠端橫梁處2.75 m為混凝土實(shí)體與拱腳一體。端橫梁、中橫梁與系梁三者共同構(gòu)成梁格，并在中橫梁跨中順橋向設(shè)置小縱梁。主橋橋面總寬度為40.0 m，雙向六車道布置，兩側(cè)各一條非機(jī)動(dòng)車道。

該橋所在道路為城市主干道，交通流量大(表1)且重載交通比例高，迫于交通壓力，無(wú)法斷交施工。

表1 橋上交通流量統(tǒng)計(jì)

1.2 重載保通需求及應(yīng)對(duì)措施

1.2.1 重載保通需求

(1) 保通需求。該橋所在主干線為連接中、外環(huán)主要通道，且過(guò)橋重載車輛多為廠區(qū)運(yùn)輸車，無(wú)法封閉交通施工。

(2) 重載需求。重載車輛占比超過(guò)42%，且存在較多超載車輛，車輛荷載對(duì)吊桿內(nèi)力、橋面線形的影響較大。

1.2.2 應(yīng)對(duì)措施

保通施工肯定對(duì)橋上交通造成影響，而重載車輛的長(zhǎng)度大、行駛速度慢又對(duì)橋上交通運(yùn)行狀況和荷載變化產(chǎn)生影響；橋上交通狀況、重載分布、溫度等因素都對(duì)監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)造成干擾；監(jiān)測(cè)的主要控制方法、短吊桿內(nèi)力測(cè)量精度等問(wèn)題也均需解決。受多種因素影響，導(dǎo)致吊桿更換后的最終內(nèi)力調(diào)整與測(cè)定難度大。

對(duì)施工過(guò)程中的各個(gè)因素影響關(guān)系進(jìn)行梳理分析，并對(duì)重難點(diǎn)環(huán)節(jié)制定針對(duì)性措施和方案(圖2)。

圖2 重載保通需求相關(guān)影響因素與應(yīng)對(duì)措施

2 吊桿更換施工工序與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主要工序工藝

重載保通工況下的拱橋吊桿更換仍遵循現(xiàn)有吊桿更換施工工序安排[4]，如圖3所示。

圖3 吊桿更換主要工序流程圖

所采取的多項(xiàng)措施貫穿整個(gè)施工控制和測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在減少和降低多次施工循環(huán)過(guò)程中的誤差和誤差積累，避免出現(xiàn)二次調(diào)索，保障工程施工質(zhì)量和安全。

2.2 保通與減載措施

案例橋梁為雙向六車道，對(duì)緊鄰拱肋的第3車道進(jìn)行封閉，達(dá)到保持原有交通通行并降低車輛荷載的目的。在封閉區(qū)域內(nèi)根據(jù)施工措施要求搭設(shè)腳手架施工平臺(tái)和安全通道，為施工提供空間的同時(shí)，保障行人和車輛的安全(圖4)。在周邊區(qū)域路網(wǎng)主干線及次干線路口設(shè)置施工繞道導(dǎo)向牌，提醒過(guò)境車輛繞路通行，以疏導(dǎo)施工路段交通、避免擁堵。

圖4 橋面交通組織斷面圖

2.3 臨時(shí)吊桿體系設(shè)置

目前常見(jiàn)的臨時(shí)承載轉(zhuǎn)換體系主要有：① 臨時(shí)支架體系；② 臨時(shí)吊桿體系；③扁擔(dān)梁式兜吊體系[5]。

其中，臨時(shí)支架體系適用于橋下無(wú)水，且有足夠的承載力基礎(chǔ)的拱橋；臨時(shí)吊桿體系基本適用于各種條件的拱橋；扁擔(dān)梁式兜吊體系適用于吊桿病害較輕、吊桿內(nèi)力小的拱橋，且在無(wú)縱梁構(gòu)造拱橋上應(yīng)用具有一定風(fēng)險(xiǎn)。

重載保通工況下首選臨時(shí)吊桿體系作為承載轉(zhuǎn)換體系，可將原吊桿內(nèi)力通過(guò)臨時(shí)吊桿傳遞至原受力點(diǎn)周邊，對(duì)原橋內(nèi)力和周邊吊桿內(nèi)力無(wú)較大影響，有利于施工精確控制和施工安全。

臨時(shí)吊桿體系的設(shè)計(jì)，必須滿足安全系數(shù)為2.0要求，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化構(gòu)造形式、減小結(jié)構(gòu)尺寸和自重，以便于快速安裝與施工。案例中臨時(shí)吊桿體系采用三階兩段式構(gòu)造，見(jiàn)圖5。為保障兩側(cè)臨時(shí)吊桿及上下鋼梁受力均衡，上下鋼梁懸臂長(zhǎng)度、支撐點(diǎn)位置、提拉點(diǎn)距離等均左右對(duì)稱設(shè)置。

圖5 臨時(shí)吊桿體系構(gòu)造立面及斷面示意圖

2.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.4.1 監(jiān)測(cè)方法

吊桿更換施工監(jiān)測(cè)可分為內(nèi)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)兩大方向。以兩種極端為例，當(dāng)主橋(系梁)剛度極大時(shí)橋面高程、位移變化不明顯，但內(nèi)力變化較大，施工監(jiān)測(cè)以內(nèi)力監(jiān)測(cè)為主；無(wú)縱梁結(jié)構(gòu)拱橋，每個(gè)吊桿內(nèi)力基本恒定(恒載+活載)，則需以位移監(jiān)測(cè)為主。

根據(jù)原橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，建立有限元模型計(jì)算出該橋的位移影響矩陣，該位移影響矩陣可作為吊桿更換施工監(jiān)測(cè)指標(biāo)的方法判斷和數(shù)據(jù)確定依據(jù)。通過(guò)對(duì)多個(gè)案例的分析、計(jì)算和總結(jié)，提出可將每毫米高程變化對(duì)應(yīng)的吊桿內(nèi)力變化值k作為施工監(jiān)測(cè)方法的判斷和選擇依據(jù)，如表2所示。其中k值可由理論模擬計(jì)算確定，也可通過(guò)荷載試驗(yàn)或試驗(yàn)吊桿張拉確定。

表2 監(jiān)測(cè)方法判定

同時(shí)，監(jiān)測(cè)的主控方法也必須因橋而異，例如在鐵路吊桿拱橋上，保障鐵軌平整度是最重要控制指標(biāo)，所以必須以橋梁線形、高程控制為主。

吊桿更換過(guò)程中內(nèi)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)必須配合使用，所述案例以內(nèi)力監(jiān)測(cè)為主，位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)校核和預(yù)警。同時(shí)在原橋關(guān)鍵截面、關(guān)鍵點(diǎn)處設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系的組成部分。

2.4.2 溫度影響修正方法

溫度梯度變化對(duì)拱橋內(nèi)力、線形產(chǎn)生的影響，與施工產(chǎn)生的內(nèi)力變化屬于同等量級(jí)，因此在施工監(jiān)測(cè)期間需要對(duì)溫度的影響進(jìn)行消除或削弱。

通過(guò)施工前連續(xù)多日對(duì)橋面線形在溫度變化下的連續(xù)變化進(jìn)行測(cè)量，繪制各測(cè)控點(diǎn)溫度影響下的高程變化圖表。

在新、舊吊桿張拉施工期間，施工一般持續(xù)2～4 h，將施工起始時(shí)的溫度和高程作為基準(zhǔn)，在最后一次張拉與內(nèi)力測(cè)定時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度查詢各測(cè)控點(diǎn)溫度影響下的高程校準(zhǔn)參數(shù)表，按照插值法選取修正參數(shù)。以該橋東側(cè)D9吊桿為例，最后一次張拉時(shí)較施工基準(zhǔn)溫度升溫5 ℃，根據(jù)溫度影響變化表查詢，高程控制時(shí)基準(zhǔn)高程增加+0.36 mm修正后使用，結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度影響下高程校準(zhǔn)參數(shù)圖

2.4.3 車輛荷載影響修正方法

保通工況下橋上交通無(wú)法保持穩(wěn)定狀態(tài)，在減載的前提下依然存在荷載變化，施工時(shí)的內(nèi)力測(cè)定選在無(wú)車輛通過(guò)時(shí)測(cè)量或臨時(shí)中斷車輛通行進(jìn)行測(cè)量，但該方法仍會(huì)造成交通臨時(shí)性擁堵。當(dāng)有車輛在橋上緩慢行駛或停滯時(shí)，內(nèi)力的監(jiān)測(cè)數(shù)值需要修正。

鑒于重載車輛對(duì)內(nèi)力測(cè)定影響較大，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)橋上由車輛荷載移動(dòng)位置變化引起的內(nèi)力實(shí)際變化測(cè)量值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，編制重載車輛不同位置工況下內(nèi)力修正表格，用于快速查詢和內(nèi)力修正推算。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量、統(tǒng)計(jì)，間隔4根吊桿距離時(shí)荷載影響小于其自重的1%，因此取被更換的吊桿前后各15 m距離為作為重載車輛影響范圍，測(cè)量統(tǒng)計(jì)的重載車輛荷載對(duì)吊桿內(nèi)力影響如表3所示。

表3 車輛荷載對(duì)應(yīng)吊桿內(nèi)力修正值

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：重載車輛對(duì)內(nèi)力影響較大，當(dāng)兩個(gè)車道均有重載車輛通過(guò)時(shí)，其內(nèi)力增加值與吊桿內(nèi)力分級(jí)后內(nèi)力變化值為同等量級(jí)，不可忽略。當(dāng)有多個(gè)車道、多個(gè)重載車輛時(shí)，修正值按照車輛中心到吊桿距離對(duì)應(yīng)數(shù)值進(jìn)行疊加使用。例如，當(dāng)最后一級(jí)張拉內(nèi)力測(cè)定時(shí)，第一車道重載車輛距離10 m，第二車道重載車輛距離-5 m，則實(shí)測(cè)吊桿內(nèi)力較無(wú)荷載工況下吊桿內(nèi)力大約120 kN，應(yīng)將實(shí)測(cè)吊桿內(nèi)力核減120 kN后作為實(shí)際內(nèi)力值。該修正方法適用于車輛基本停止或車速≤5 km/h的工況。

2.4.4 短吊桿內(nèi)力精確測(cè)量方法

吊桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)[6]是更換吊桿施工監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要組成部分。內(nèi)力測(cè)量主要采用頻率法，通過(guò)測(cè)得索的自振頻率來(lái)推算內(nèi)力。由于吊桿兩端約束情況不同、剛性段(鑄鐵段)長(zhǎng)度占比不同，長(zhǎng)吊桿內(nèi)力按照頻率法計(jì)算，誤差一般可控制在5%以內(nèi)，但短吊桿長(zhǎng)度較短，需要增加折算系數(shù)(經(jīng)驗(yàn)值)進(jìn)行調(diào)整。折算系數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)張拉校核的方式確定。

千斤頂張拉力校核方法：首先在張拉端設(shè)置高精度位移傳感器，然后采用千斤頂張拉舊吊桿，當(dāng)張拉力等于內(nèi)力后錨頭被拉動(dòng)，傳感器讀數(shù)出現(xiàn)單向大波動(dòng)變化時(shí)(圖7)的千斤頂張拉力可視為吊桿真實(shí)內(nèi)力。

圖7 吊桿內(nèi)力張拉測(cè)定方法示意圖

由于拱橋結(jié)構(gòu)對(duì)稱，同長(zhǎng)度、規(guī)格短吊桿均有4根，僅對(duì)其中1根進(jìn)行千斤頂張拉力校核即可，其余3根直接采用修正系數(shù)計(jì)算內(nèi)力，結(jié)果如表4所示。

表4 內(nèi)力修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.5 施工工序優(yōu)化

2.5.1 精準(zhǔn)分級(jí)控制

吊桿更換施工的關(guān)鍵工序在于臨時(shí)承載轉(zhuǎn)換體系在施工過(guò)程中的兩次內(nèi)力轉(zhuǎn)換。臨時(shí)吊桿系統(tǒng)為兩次內(nèi)力轉(zhuǎn)換的中間承載體系，通過(guò)舊吊桿→臨時(shí)兜吊體系以及臨時(shí)兜吊體系→新吊桿兩次內(nèi)力轉(zhuǎn)換的過(guò)程，達(dá)到安全更換吊桿的目的[5]。

分級(jí)控制的選擇對(duì)施工和監(jiān)測(cè)均有較大影響，且尚無(wú)規(guī)范對(duì)此明確要求，設(shè)計(jì)單位多將位移偏離控制值設(shè)置為±5 mm，此處可利用上節(jié)所述k值與控制點(diǎn)高程變化控制值l的乘積Δk=k·l作為分級(jí)依據(jù)。案例中單級(jí)最大位移偏離控制值≤2 mm，最大分級(jí)內(nèi)力值≤200×2 kN，分級(jí)比例20%。

由于新吊桿在運(yùn)營(yíng)承載過(guò)程中存在松弛現(xiàn)象，最終內(nèi)力鎖定時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況將最終張拉力提高2%～5%不等。

2.5.2 協(xié)同作業(yè)時(shí)間

上述技術(shù)措施與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，在實(shí)際操作過(guò)程中通過(guò)同工況參數(shù)的積累與修正，可將施工控制精確度逐步提高。

因此，將臨時(shí)吊桿、新舊吊桿張拉、內(nèi)力調(diào)整環(huán)節(jié)設(shè)置在每日的同一時(shí)間段內(nèi)實(shí)施，使溫度、荷載等因素趨同，以保障施工質(zhì)量和監(jiān)測(cè)精度。張拉施工時(shí)間段選擇在10:00—15:00為宜。

3 重載保通效果評(píng)估

通過(guò)一系列糾偏、修正技術(shù)措施的應(yīng)用，在保通工況下吊桿更換的控制指標(biāo)均達(dá)到較好的效果。

以東拱肋D1、D3、D5、D8吊桿為例，臨時(shí)吊桿向新吊桿內(nèi)力轉(zhuǎn)移過(guò)程中控制點(diǎn)位移變化最大值+1.68 mm，完工后位移最大偏離值為+1.01 mm(修正后)。

以西拱X1～X15共15根吊桿為例，其內(nèi)力更換前后對(duì)比如圖8所示，最大變化值為106 kN，最大變化比例6.02%，小于設(shè)計(jì)要求的±10%；其位移更換前后變化值如圖9所示，最大值為+2.19 mm，小于設(shè)計(jì)要求的±5 mm。

圖8 西拱吊桿內(nèi)力更換前后對(duì)比圖

圖9 西拱吊桿更換前后位移變化

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)重載保通工況下的拱橋吊桿更換施工，在綜合應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)措施后取得較好的應(yīng)用效果，最終的控制指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(2) 工程實(shí)施過(guò)程中通過(guò)減少車道、臨時(shí)吊桿體系設(shè)計(jì)、施工工序優(yōu)化，在滿足不封閉交通施工的前提下，可以確保工程施工的安全、流暢和可控性。

(3) 重載保通工況下的拱橋吊桿更換施工監(jiān)測(cè)方法應(yīng)根據(jù)各橋的實(shí)際情況合理選用。所述的判斷指標(biāo)k值主要反映整橋的剛度情況，是在理論計(jì)算和多個(gè)實(shí)際案例應(yīng)用總結(jié)的基礎(chǔ)上提出，可供類似案例參考使用。

(4) 施工過(guò)程中溫度、車輛荷載、短吊桿等多種因素對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)影響較大，必須采取措施對(duì)其影響進(jìn)行消除或修正。有限元模擬計(jì)算結(jié)果從理論角度提供參考，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定修正參數(shù)，用于指導(dǎo)施工。