某下承式系桿拱橋吊桿施工誤差及控制

周 源

下承式系桿拱橋的施工過程中，吊桿的安裝及張拉非常重要，關(guān)系到后期結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)線形的合理性，對最終的施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營都有重要的影響。很多原因都有可能導(dǎo)致吊桿施工結(jié)果的誤差，本文結(jié)合某下承式拱橋吊桿施工中出現(xiàn)的誤差及處置經(jīng)驗(yàn)，對拱橋施工控制中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述。

1 工程概述

本工程為下承式鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑為140 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5。拱肋斷面形式為橫啞鈴形，橫向設(shè)置三片拱肋，一片中拱肋和兩片邊拱肋。中拱肋高3 m，寬2 m，邊拱肋高 3 m，寬 1.5 m，拱肋斷面由橫啞鈴形的上下弦桿通過腹板連接組成?？v向4根鋼管和啞鈴形斷面內(nèi)灌注混凝土，其余均為空鋼管。拱肋間設(shè)置三道桁架式風(fēng)撐。吊桿采用可換式吊桿，縱橋向間距為5 m，橫橋向吊桿中心距為14.7 m，吊桿由強(qiáng)度為1 670 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲外包雙層PE套制成，吊桿與拱肋采用錨箱連接方案。有限元計(jì)算采用Midas空間桿系模型，拱肋及系桿采用空間梁單元模擬，吊桿采用只受拉桿單元模擬。

2 吊桿施工情況和偏差的原因

本橋原設(shè)計(jì)張拉程序?yàn)?待鋼管拱系梁、端橫梁和中橫梁組成穩(wěn)定平面梁格結(jié)構(gòu)，拱肋拼裝好并泵送灌完拱肋內(nèi)混凝土后，進(jìn)行吊桿第一次張拉，本次張拉分為兩個循環(huán)，第一個循環(huán)從1號吊桿開始張拉，于13號吊桿結(jié)束，張拉力為2/3初張力，第二個循環(huán)從拱頂開始張拉，即從13號吊桿開始張拉，于1號吊桿結(jié)束，張拉力為全部初張力;橋面板澆筑結(jié)束后進(jìn)行第二次張拉;現(xiàn)澆橋面鋪裝和欄桿等附屬部分后進(jìn)行第三次張拉，使吊桿內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)力。在這個過程中要求對稱均勻進(jìn)行吊桿張拉，每次張拉6根吊桿，如1號和26號同時張拉。這樣的張拉程序能夠根據(jù)恒載施加的情況分階段張拉吊桿力，每次施加的荷載較小，拱肋受力均勻，確保每一施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的合理性。

吊桿編號如圖1所示，從1號～26號，三個索面編號方法相同。

橋面鋪裝完成后，即預(yù)設(shè)的第三次張拉之前，經(jīng)頻率法測量索力發(fā)現(xiàn)吊桿內(nèi)力普遍偏大(見圖2)。中拱吊桿偏離較多，部分吊桿內(nèi)力超過設(shè)計(jì)值10%以上。左右邊吊桿情況稍好。結(jié)構(gòu)線形表現(xiàn)為橋面標(biāo)高比預(yù)期的偏高。

產(chǎn)生如此大的偏差將導(dǎo)致成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力不合理，影響安全運(yùn)營，經(jīng)分析可能有如下原因:

1)施工誤差。本橋產(chǎn)生誤差的原因之一是由于施工時沒有遵守預(yù)設(shè)的張拉順序和大小，張拉不準(zhǔn)確。吊桿分批張拉時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生內(nèi)力的重分布、支承體系的轉(zhuǎn)換，同時后期張拉的吊桿將對前期張拉的吊桿內(nèi)力產(chǎn)生較大影響。不同的張拉順序和張拉力都會導(dǎo)致迥異的成橋內(nèi)力狀態(tài)和線形。通過成橋階段吊桿內(nèi)力優(yōu)化后的吊桿內(nèi)力并不能作為施工時的張拉控制力。

2)測量誤差。測量誤差會引起施工及施工結(jié)果評價兩方面的誤差。測量的精度受很多因素的影響，如測量儀器的系統(tǒng)精度和隨機(jī)誤差，人工測量時的人為因素，測量環(huán)境溫濕度變化的影響。吊桿力的測量方法有以下幾種:a.埋設(shè)傳感器。b.張拉時由千斤頂?shù)挠蛪罕碜x數(shù)獲得控制張拉力。c.對張拉后的吊桿可采用頻率法。

3)有限元計(jì)算參數(shù)取值。施工結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)目標(biāo)的另一個重要原因是有限元模型中的計(jì)算參數(shù)取值不符合實(shí)際情況。一般情況下混凝土的彈性模量、材料的比重、徐變系數(shù)變異性較大，模型計(jì)算值與實(shí)際情況不一定相符。鋼管混凝土拱橋在施工過程中，鋼拱肋和吊桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)很穩(wěn)定。系桿為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，變異性較大，但對前期結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響較小。

3 處置方案及原理

鑒于吊桿內(nèi)力過大，影響結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段的安全，必須對吊桿進(jìn)行放松處理。

吊桿補(bǔ)張的張拉控制力可用以下兩種方法求得:影響矩陣法，以吊桿需施加的調(diào)整量組成施調(diào)向量X，處理完成時的各吊桿內(nèi)力組成受調(diào)向量D，通過有限元方法，計(jì)算施調(diào)向量中第 j個元素xj發(fā)生單位變化，引起受調(diào)向量 D的變化向量，記為 Aj，然后形成影響矩陣[A]=[A1，A2，…，Al]，最后求解線性方程組 D0+AX=D，其中，D0為張拉處理前的吊桿內(nèi)力矩陣，由處理前的實(shí)測值組成。將吊桿需施加的調(diào)整量與處理前的內(nèi)力值相加就是張拉處理時的控制力。本案中影響矩陣的建立要點(diǎn)是:1)結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)要模擬準(zhǔn)確，可以通過施加初應(yīng)變的方法，將結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)至吊桿處理前的實(shí)際狀態(tài)，即吊桿內(nèi)力大小與實(shí)測值相符。2)建立影響向量時要考慮施工階段的影響，影響向量 Aj中的每個元素都是施調(diào)元素xj發(fā)生單位變化并經(jīng)歷若干個實(shí)際的施工階段后，吊桿處理完成時受調(diào)向量元素dm的變化值。

這一方法局限性在于形成影響矩陣時比較耗時，可以通過Midas的施工階段計(jì)算功能逐個計(jì)算影響向量，也可以通過ANSYS的生死單元模擬施工過程，并用APDL方便地計(jì)算影響矩陣。

直接迭代法，考慮到本橋?yàn)榱汗敖M合體系，剛度較大，非線性表現(xiàn)較弱，可以用如下方法直接求解補(bǔ)張過程吊桿張拉控制力。僅需較少的計(jì)算次數(shù)就能找到合理的結(jié)果。首先選定補(bǔ)張拉方案，即張拉順序及根數(shù)，并按張拉方案建模，通過施加初應(yīng)變模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力狀態(tài);然后初設(shè)一組吊桿補(bǔ)張拉控制力P0，P0是作為新的內(nèi)力按照施工順序逐個替換掉初始結(jié)構(gòu)內(nèi)力(不同于影響矩陣法中的施調(diào)向量X)，這組力越接近所求結(jié)果的大小，迭代的次數(shù)越少。通過計(jì)算 P0，得出補(bǔ)張完成時的結(jié)構(gòu)內(nèi)力 M1。此時要判斷成橋內(nèi)力M1與設(shè)計(jì)目標(biāo)內(nèi)力D的誤差大小，如果小于合理的收斂標(biāo)準(zhǔn)(如誤差小于5%)則停止計(jì)算，M1成為所求張拉控制力;否則將P0加上此時成橋內(nèi)力 M1與設(shè)計(jì)目標(biāo)內(nèi)力D的差值ΔP，作為新的一組補(bǔ)張拉控制力P1代入模型重新計(jì)算。反復(fù)迭代直至找到滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)的Pi。計(jì)算流程如圖3所示。

本工程的補(bǔ)張拉施工方案原定為三個拱肋同時張拉，從拱腳的1號和26號開始，每次6根，最后張拉拱頂附近的6根吊桿。鑒于補(bǔ)張以前，部分吊桿與目標(biāo)值已很接近，計(jì)算時也發(fā)現(xiàn)中吊桿的調(diào)值對邊吊桿的影響不大，經(jīng)過方案優(yōu)化后，減少了邊拱吊桿補(bǔ)張個數(shù)，有利于節(jié)省工時費(fèi)用。施工結(jié)果與目標(biāo)偏差總體控制在5%以內(nèi)。

4 結(jié)語

吊桿施工是下承式拱橋施工的關(guān)鍵工序，施工過程中必須跟蹤吊桿內(nèi)力狀態(tài)，對于偏差較大的情況要仔細(xì)分析問題產(chǎn)生的原因，從施工、測量、結(jié)構(gòu)計(jì)算等方面入手，結(jié)合系桿拱橋的力學(xué)特性，及時調(diào)整結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)和施工方案，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況預(yù)測后續(xù)工況結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證施工結(jié)果的安全性和合理性。

[1] 項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社，2001:4.

[2] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社，2000.

[3] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京:人民交通出版社，1999.