下承式系桿拱橋施工監(jiān)控過程中索力的測試與調(diào)整

張衛(wèi)鋒

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市200444）

下承式系桿拱橋施工監(jiān)控過程中索力的測試與調(diào)整

張衛(wèi)鋒

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市200444）

在系桿拱橋施工過程中，吊桿索力的大小直接影響著成橋線形及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。為此，在施工監(jiān)控過程中，應(yīng)對吊桿索力進(jìn)行精確測試與調(diào)整。現(xiàn)結(jié)合實(shí)際工程，對常規(guī)索力測試方法進(jìn)行改進(jìn)，并介紹調(diào)索方法，以期對同類工程有所借鑒。

下承式系桿拱橋；施工監(jiān)控；索力測試；索力調(diào)整

1 概述

下承式系桿拱橋?qū)俟昂土合嘟M合而成的拱橋，橋跨結(jié)構(gòu)由拱肋、懸吊結(jié)構(gòu)和橫向聯(lián)結(jié)系三部分組成，行車道在拱肋之下。拱和梁在兩端固結(jié)，中間用吊桿聯(lián)結(jié)，簡支于橋梁墩臺上，受力明確，是外部靜定、內(nèi)部超靜定的結(jié)構(gòu)。拱的水平推力由系梁承受。橋型整體具有外形美觀，結(jié)構(gòu)輕巧等特點(diǎn)，近年來該橋型在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

對于下承式系桿拱橋，吊桿內(nèi)力的大小影響著成橋時結(jié)構(gòu)各部位，特別是縱梁的線形和內(nèi)力分布。因此，在系桿拱橋施工監(jiān)控過程中，對索力的準(zhǔn)確測試及索力調(diào)整是關(guān)鍵內(nèi)容之一。施工過程中的吊桿索力測試與調(diào)整具體可分為兩部分：第一部分是對各施工階段索力的測定，確定各施工階段的吊桿實(shí)測索力值；第二部分是在實(shí)測索力的基礎(chǔ)上對索力進(jìn)行調(diào)整，以確保成橋后吊桿索力滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際施工過程中，由于施工環(huán)境的復(fù)雜性，施工過程中的階段吊桿索力與設(shè)計(jì)值會有所偏差，只有準(zhǔn)確測定吊桿在各施工階段的索力值，才能夠在實(shí)測索力的基礎(chǔ)上將成橋索力調(diào)整至設(shè)計(jì)索力目標(biāo)值，索力測試與索力調(diào)整相輔相成而又相互影響。

2 吊桿索力測定方法

2.1 常規(guī)吊桿索力測定方法

當(dāng)前索力測定的方法主要有千斤頂油壓讀數(shù)法、壓力傳感器讀數(shù)法和頻率法。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。該方法是施工過程中最常用的索力測定方法。壓力傳感器讀數(shù)法是錨頭內(nèi)部安裝壓力傳感器，張拉時可直接讀出張拉力值。頻率法是測定索體的自振頻率，根據(jù)自振頻率計(jì)算出索力值。頻率法操作簡單，可重復(fù)利用，是成橋后索力測試最常用的方法。

然而，上述方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，千斤頂油壓讀數(shù)法只能讀出單根吊桿張拉時的索力值，由于每根吊桿在張拉時均對其余吊桿有影響，因此張拉后續(xù)吊桿時并不能確定先張拉的吊桿實(shí)際索力值。壓力傳感器法不利于吊桿錨頭防腐且價格昂貴，一般不采用。頻率法雖然方便，但由于吊桿受兩端約束條件，截面剛度等影響，由自振頻率計(jì)算索力時很難精確確定計(jì)算索長，另外，頻率法也較難測出靠近拱腳的短吊桿的低階頻率。

2.2 吊桿索力測定的改進(jìn)方法

目前施工時測定吊桿索力一般采用千斤頂油壓表讀數(shù)法，成橋后采用頻率法，在計(jì)算吊桿索力時，按照吊桿的計(jì)算長度換算出索力，然而，吊桿的計(jì)算長度由于受兩端約束、截面剛度的影響，直接采用計(jì)算長度計(jì)算出的吊桿索力與實(shí)際吊桿索力有所偏差。因此，在施工監(jiān)控過程中，可將油壓表讀數(shù)法和頻率法相結(jié)合，根據(jù)實(shí)測索力結(jié)果對吊桿長度予以修正，再以修正后的吊桿長度作為頻率法的計(jì)算長度。具體做法如下：

（1）千斤頂張拉每根吊桿時讀取油壓表讀數(shù)，換算出索力值。

（2）張拉完畢后，采用頻率法測定該吊桿的頻率。

（3）將測定的索力及頻率代入公式（1）（即為吊桿兩端固結(jié)并考慮截面剛度），反算出吊桿計(jì)算長度。

（4）重復(fù)上述過程，將全橋的吊桿計(jì)算長度逐一進(jìn)行修正。

（5）以（3）中修正的吊桿長度作為后續(xù)頻率法測定索力的計(jì)算長度，測出各施工階段的吊桿頻率，進(jìn)而計(jì)算出吊桿索力值。

3 吊桿索力調(diào)整的理論基礎(chǔ)及方法

3.1 吊桿索力調(diào)整的理論基礎(chǔ)

在施工監(jiān)控過程中，吊桿張拉過程是分批分階段張拉的，在張拉過程中伴隨著結(jié)構(gòu)變形、系桿支承體系的變化和內(nèi)力重分配等，前期張拉完的吊桿拉力直接影響后期吊桿的張拉力。因此，在系桿拱橋施工監(jiān)控過程中須對所有的吊桿力進(jìn)行調(diào)整。

在目前系桿拱橋施工過程中，控制吊桿張拉力采用的方法有剛性支承連續(xù)梁法、零位移法和彎矩最小法等。但最為常用的是基于影響矩陣法對系桿拱橋進(jìn)行調(diào)索。影響矩陣法是以每根吊桿的張拉力控制值為基本，給吊桿施加單位力，利用計(jì)算軟件求出單位力作用下的吊桿內(nèi)力矩陣，建立典型方程，通過求解線形方程組得到每根吊桿調(diào)整的張拉力控制值，從而使得最終的吊桿索力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

假設(shè)當(dāng)前施工階段各吊桿索力為 T01、T02、T03…T0i…T0n，計(jì)作[T0]；設(shè)計(jì)目標(biāo)索力為T1、T2、T3…Ti… Tn，計(jì)作[T]，得出各吊桿需調(diào)整的索力值：ΔT1、ΔT2、ΔT3…ΔTi…ΔTn，計(jì)作[ΔT]，則有：

由公式（2）可求得吊桿索力調(diào)整值：

需要注意的是，使用式（3）進(jìn)行吊桿索力調(diào)整時，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于線性狀態(tài)，一般應(yīng)用于初張拉完成以后的階段，另外，由上式求得的是索力增量值而不是千斤頂張拉力值，而千斤頂張拉力值則須根據(jù)張拉順序重新求解。

3.2 吊桿調(diào)索具體實(shí)施方法

在系桿拱橋施工監(jiān)控過程中，通常以設(shè)計(jì)給定的索力為控制目標(biāo)，根據(jù)施工工序確定各施工狀態(tài)。由式（3）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，在系桿拱橋調(diào)索時，應(yīng)遵循如下原則：（1）吊桿索力調(diào)整時，為保證結(jié)構(gòu)安全，盡量使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力或撓度變化幅值最?。唬?）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）由于各索相互影響，在吊桿調(diào)整過程中，要保證每根吊桿的索力均在安全范圍內(nèi)。

根據(jù)上述原則，系桿拱橋具體吊桿調(diào)索實(shí)施方法如下：

（1）測定每根吊桿的頻率，按照修正后的吊桿長度逐一求出每根吊桿當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)際索力。

（2）將實(shí)測的索力輸入計(jì)算模型，由于施工過程中存在誤差，實(shí)測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)測索力。

（3）擬定吊桿索力調(diào)整張拉順序，在反復(fù)試算的基礎(chǔ)上找出最優(yōu)吊桿調(diào)整順序。

（4）各吊桿索力調(diào)整完成后，再次用頻率法測定吊桿的索力，驗(yàn)證調(diào)整后的索力是否達(dá)到索力設(shè)計(jì)值。

上述調(diào)索實(shí)施方法可用如下流程圖表示（見圖1）。

圖1 吊桿調(diào)索實(shí)施流程圖

4 工程實(shí)例

某下承式鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑52 m，矢跨比為1/4.78，縱橫梁格體系，拱肋采用單圓鋼管截面，內(nèi)灌混凝土，拱肋間設(shè)三道圓形風(fēng)撐。全橋共設(shè)28對吊桿，吊桿間距3.0 m，吊桿線密度21.5 kg/m，施工工藝為先拱后梁。圖2為吊桿編號示意圖。

圖2 吊桿編號示意圖

4.1 吊桿索力測試結(jié)果

按照前述，采用千斤頂油壓表讀數(shù)法與頻率法相結(jié)合，根據(jù)修正后的吊桿長度測得各吊桿索力，見表1所列。

表1 調(diào)索前實(shí)測吊桿索力匯總表

表1中E和W分別代表東西兩側(cè)拱肋，由表中可以看出，修正后的吊桿長度均小于理論吊桿長度，其中邊吊桿最為明顯。調(diào)索前各吊桿索力不均勻，索力最大值630 kN，最小值僅有434 kN。

4.2 吊桿索力調(diào)整

將實(shí)測索力輸入計(jì)算模型，對計(jì)算模型進(jìn)行倒拆-正裝迭代分析，最終選擇按照1-14-8-7-3-12-10-5-2-13-4-11-6-9的吊桿索力調(diào)整順序，調(diào)索后各吊桿索力見表2所列。

表2 調(diào)索后各吊桿索力值匯總表

由表2可知，調(diào)索后實(shí)測吊桿索力比設(shè)計(jì)成橋索力偏大，其中東側(cè)E5實(shí)測索力比理論索力大5.0%，西側(cè)W7實(shí)測索力比理論索力大5.2%，其余誤差均在5%以內(nèi)，調(diào)索后各吊桿索力基本滿足要求。

5 結(jié)論

（1）下承式系桿拱橋在施工監(jiān)控過程中，為保證吊桿索力測試精度，建議采用千斤頂油壓表讀數(shù)法與頻率法相結(jié)合，關(guān)鍵是對吊桿計(jì)算長度的修正。

（2）調(diào)索時以設(shè)計(jì)索力為目標(biāo)值，由實(shí)測索力通過倒拆-正裝分析，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下優(yōu)化張拉順序，確保理論分析與實(shí)際施工相一致。

U446.2

B

1009-7716（2017）04-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.040

2017-01-17

張衛(wèi)鋒（1983-），男，山東曹縣人，碩士，工程師，從事舊橋加固設(shè)計(jì)及施工監(jiān)控工作。