剛性系桿拱橋吊桿張拉索力施工控制研究

郭鑫， 顏東煌， 袁晟， 袁明

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

1 引言

系桿拱橋由于其結(jié)構(gòu)輕盈、線(xiàn)形美觀(guān)、建筑高度小、跨越能力大，在中國(guó)東部公路橋梁建設(shè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。系桿、拱肋是主要承重構(gòu)件，而吊桿索力的大小直接影響全橋的內(nèi)力分布及工作狀態(tài)；剛性系桿拱橋施工中，吊桿力的調(diào)整非常重要，張拉過(guò)程中每根桿件的張拉都會(huì)伴隨著拱肋及系桿的變形及其內(nèi)力重分布，而后期吊桿的張拉力又會(huì)對(duì)先期施工的吊桿力產(chǎn)生影響，使得拱橋在吊桿張拉完畢后達(dá)不到預(yù)期的理想狀態(tài)，因此吊桿張拉次序及張拉力的控制是系桿拱橋施工過(guò)程監(jiān)控的重要內(nèi)容之一。

目前系桿拱橋吊桿索力問(wèn)題采用與斜拉橋索力問(wèn)題相似的計(jì)算方法，如差值迭代法、正裝迭代法等，只要迭代次數(shù)夠多，采用何種方法均能取得較好的結(jié)果。祁強(qiáng)等通過(guò)對(duì)系桿拱橋吊桿張拉過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，并建立有限元仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)有限元模型能夠比較合理地模擬系桿拱橋的施工過(guò)程。盡管如此，實(shí)際工程中，成橋索力與目標(biāo)索力相比仍存在較大偏差的情況，究其原因，主要是理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差異，同時(shí)吊桿張拉時(shí)施工精度難以控制。王弘等指出：在對(duì)系桿拱橋吊桿進(jìn)行千斤頂張拉時(shí)，必須輔以頻率法對(duì)吊桿索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而頻率法測(cè)吊桿索力的精度受邊界條件及計(jì)算長(zhǎng)度等的影響，因此準(zhǔn)確計(jì)算施工過(guò)程中吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)吊桿張拉索力控制具有積極意義。

該文結(jié)合理論分析及橋梁的實(shí)際情況，以確定合理的吊桿張拉順序，并在確定的施工順序后，對(duì)可能影響吊桿成橋索力的拱肋抗彎慣性矩、系桿抗彎慣性矩、材料重度、彈性模量等設(shè)計(jì)參數(shù)及橋上施工荷載情況和張拉端鎖緊螺母和油泵回油時(shí)拉力損失的影響進(jìn)行敏感性分析；基于此，進(jìn)一步提出剛性系桿拱橋吊桿張拉施工控制的流程，并完成對(duì)某剛性系桿鋼拱橋進(jìn)行吊桿張拉過(guò)程的施工控制，以使成橋吊桿索力與目標(biāo)索力偏差較小，滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

2 工程概況

某剛性系桿拱橋計(jì)算跨徑為75 m，吊桿為常用的蘭格爾體系，采用先梁后拱，支架上焊接拼裝施工方案。鋼主梁截面采用雙主梁斷面，單幅主梁為扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，縱向設(shè)3道腹板和1道外封板。系梁設(shè)置在橋面中央且為鏤空結(jié)構(gòu)，張拉系桿平衡拱腳推力。鋼主梁頂寬31.4 m，底寬19.9 m，截面中心高度2 m。主拱計(jì)算跨徑75 m，主拱垂直，立面矢高18.5 m，主拱矢跨比f(wàn)/L=1/4.054，拱軸線(xiàn)為二次拋物線(xiàn)。吊桿順橋向間距3.0 m，每個(gè)吊點(diǎn)橫橋向?yàn)殡p吊桿，全橋共42根吊桿。每根吊桿由55φ7 mm高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。吊桿索拱端錨頭為冷鑄錨，梁端連接穿銷(xiāo)式鉸板，拱端為張拉端，采用球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)動(dòng)。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及立面、斷面布置圖如表1及圖1～3所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 系桿拱橋立面布置圖(單位:cm)

圖2 系梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖(單位:mm)

圖3 拱肋標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖(單位:mm)

3 張拉順序的選擇

合理的施工順序能有效地保證吊桿張拉過(guò)程的安全，減少調(diào)索次數(shù)，加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本。理論上無(wú)論采用何種張拉順序，均能使成橋索力與目標(biāo)索力一致，但該橋吊桿張拉在鋼箱拱內(nèi)，張拉設(shè)備笨重，工人帶著在鋼箱拱里面行動(dòng)非常困難，同時(shí)，由于吊桿安裝及張拉施工單位僅能提供4臺(tái)千斤頂同時(shí)張拉，不能一步張拉到位，因此，需要采用合理的吊桿張拉順序，減少千斤頂?shù)呐矂?dòng)次數(shù)及吊桿索力的調(diào)整次數(shù)，由于該橋?yàn)殇撓涔皹?，安全?chǔ)備較大，故僅對(duì)以下兩種方案進(jìn)行討論，方案1：兩端拱腳向拱頂對(duì)稱(chēng)張拉；方案2：拱頂向兩端拱腳對(duì)稱(chēng)張拉。該文采用影響矩陣法分別對(duì)兩種張拉方案進(jìn)行正裝迭代計(jì)算，兩種方案下的施工索力及張拉過(guò)程中拱肋的應(yīng)力變化分別如表2及圖4、5所示。

由表2可知：在達(dá)到同樣的目標(biāo)索力下，方案1的

表2 設(shè)計(jì)初張索力與施工索力

圖4 方案1拱肋應(yīng)力變化值

圖5 方案2拱肋應(yīng)力變化值

最大施工索力較小，且相對(duì)更為均勻，對(duì)千斤頂?shù)牧砍桃筝^低，能有效降低千斤頂重量，減小工人的施工難度。由圖4、5可知：方案1施工過(guò)程中拱肋的應(yīng)力變化更為合理，且出現(xiàn)的最大應(yīng)力小于方案2，能有效提高施工過(guò)程中拱肋的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，確保施工過(guò)程的安全。基于此，該橋采用從兩端拱腳至跨中對(duì)稱(chēng)張拉的施工方案。

4 成橋索力參數(shù)敏感性分析

對(duì)于系桿拱橋而言，當(dāng)理論計(jì)算模型各參數(shù)確定后，采用差值迭代法或正裝迭代法等方法進(jìn)行理論分析后，均能得到合理的吊桿張拉順序及與之相應(yīng)的吊桿施工索力，吊桿張拉施工過(guò)程中，工人將嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)或其他技術(shù)人員提供的施工索力進(jìn)行施工，當(dāng)實(shí)際結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)參數(shù)存在偏差時(shí)，勢(shì)必導(dǎo)致全部吊桿張拉完成后，成橋索力與目標(biāo)索力有所出入，同時(shí)吊桿張拉施工過(guò)程中，由于工人的操作不當(dāng)，或由于張拉端鎖緊螺母和油泵回油時(shí)拉力損失的影響，也會(huì)導(dǎo)致索力有所差異，這都是現(xiàn)場(chǎng)施工人員無(wú)法確定的，因此在技術(shù)人員給出吊桿張拉順序及吊桿施工索力時(shí)，必須對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核，并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)控制?；诖?，為進(jìn)一步研究在特定施工順序下，吊桿成橋索力與目標(biāo)索力的偏差受哪些因素的影響，采用單一參數(shù)法，分別對(duì)拱肋抗彎慣性矩、系桿抗彎慣性矩等設(shè)計(jì)參數(shù)及橋上施工荷載情況和張拉端鎖緊螺母和油泵回油時(shí)拉力損失的影響進(jìn)行敏感性分析。

該文分別將拱肋抗彎慣性矩、系桿抗彎慣性矩分別增加或減小10%，而其余參數(shù)不變，再根據(jù)未改變參數(shù)前的計(jì)算模型分析得到的吊桿張拉施工索力進(jìn)行正裝分析。對(duì)于施工荷載的影響，為趕進(jìn)度，橋面上可能同時(shí)有兩臺(tái)吊車(chē)同時(shí)作業(yè)(吊裝裝飾板)，登高車(chē)(拱肋涂裝)等大型施工機(jī)械，另有施工人員、鋼材、氣焊機(jī)、氧氣罐等若干臨時(shí)荷載，考慮總施工臨時(shí)荷載為75 t，為計(jì)算方便，取10 kN/m的均布荷載分布于整個(gè)計(jì)算跨徑內(nèi)進(jìn)行計(jì)算分析。油泵回油時(shí)的拉力損失是一個(gè)無(wú)法估計(jì)的未知量，該值受張拉吊桿的長(zhǎng)短、張拉設(shè)備、施工人員的操作等因素的影響，可能每根吊桿均會(huì)有偏差，統(tǒng)計(jì)指出，該值可能達(dá)到100 kN；該文為得到吊桿錨下拉力損失對(duì)成橋索力的影響，每根吊桿在施工索力下僅考慮30 kN的損失，進(jìn)行正裝分析；基于以上分析及有限元分析模型，得到各參數(shù)改變后成橋索力與目標(biāo)索力的偏差結(jié)果如表3所示。

由表3可知：臨時(shí)施工荷載及張拉過(guò)程中錨下拉力損失對(duì)成橋吊桿索力影響較大，在等效的10 kN/m的臨時(shí)施工荷載作用下，成橋吊桿索力最大偏差為11%，如果吊桿初張拉或二次調(diào)索時(shí)，施工進(jìn)度超前或滯后，還存在其他橋面堆積荷載，將對(duì)成橋吊桿索力產(chǎn)生更大的影響。系梁抗彎慣性矩影響較小，在其變化10%的狀況下，影響百分比小于1%，這主要是因?yàn)橄盗旱目箯潙T性矩遠(yuǎn)大于拱肋(約7倍)，在改變系梁抗彎慣性矩時(shí)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)剛度影響較?。还袄呖箯潙T性矩對(duì)成橋吊桿索力的影響最大約為3%，改變拱肋抗彎慣性矩，成橋吊桿索力偏差大于1%的吊桿數(shù)量為14根，而對(duì)拱腳、四分點(diǎn)及跨中處吊桿影響較小。

表3 各參數(shù)變化對(duì)成橋索力影響的計(jì)算結(jié)果

5 頻率法計(jì)算長(zhǎng)度的確定

目前，柔性吊桿索力測(cè)試的方法主要有油壓千斤頂法、壓力傳感器法、振動(dòng)頻率法及磁通量法，振動(dòng)頻率法不需要預(yù)埋傳感器，它利用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)或人工激振作為結(jié)構(gòu)物激振，在吊桿上附著高靈敏度的傳感器，拾取吊桿在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、譜分析，測(cè)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，然后根據(jù)吊桿索力與其振動(dòng)頻率之間的關(guān)系求出吊桿的索力，因此，采用振動(dòng)頻率法測(cè)吊桿索力是最為經(jīng)濟(jì)快速的方法。

目前頻率法測(cè)索力的理論模型主要有張緊弦模型、兩端鉸支的受拉水平直梁模型、兩端固支的受拉水平直梁模型及柔性拉索模型。研究表明：只有兩端固支受拉水平直梁模型能應(yīng)用于短索，其具體計(jì)算公式為：

(1)

yn=nπ+Aψn

(2)

(3)

A=-1.33+12.83n+17.3n2

(4)

文獻(xiàn)[16]研究表明：吊桿兩端剛度很大的連接部分對(duì)索力測(cè)試精度有著不容忽視的影響，將吊桿兩錨固點(diǎn)間長(zhǎng)度減去兩端連接部分長(zhǎng)度的一半來(lái)取值計(jì)算，能得到合理且精確的結(jié)果，而文獻(xiàn)[17]的研究表明，計(jì)算長(zhǎng)度取兩端錨墊板之間的距離扣除剛性錨頭長(zhǎng)度和減振器長(zhǎng)度影響能得到較為精確的結(jié)果，誤差不超過(guò)3%，各研究成果存在出入，因此，為明確該橋吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度，該文采用兩端固支受拉水平直梁模型計(jì)算公式，并基于Matlab編制程序計(jì)算出每根吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度(1#、21#吊桿由于太短無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出其頻率，未列出)，求取平均值并計(jì)算出每根吊桿的有效計(jì)算長(zhǎng)度作為后續(xù)索力測(cè)試的依據(jù)，結(jié)果如表4所示。

6 吊桿張拉施工控制流程及成果

基于以上分析，如不能將全橋吊桿同步張拉到位，為盡量減小吊桿初張拉或二次調(diào)索后的索力與目標(biāo)索力的偏差，提出了以下關(guān)于剛性系桿拱橋吊桿張拉施工控制的流程：① 收集有關(guān)設(shè)計(jì)圖紙等資料；② 確定各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)建立有限元分析模型，并根據(jù)實(shí)際材料試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行修正；③ 進(jìn)行臨時(shí)施工荷載調(diào)查，將橋面上的重型施工機(jī)械及其他臨時(shí)荷載清理出橋面，如不能進(jìn)行清理，需將橋面荷載調(diào)查清楚，并添加在分析模型相應(yīng)位置上；④ 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定吊桿張拉方案，得到吊桿張拉的合理施工狀態(tài)；⑤ 吊桿張拉施工過(guò)程中，需同步采用頻率法對(duì)吊桿張拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過(guò)千斤頂法對(duì)頻率法參數(shù)進(jìn)行修正，頻率法測(cè)索力建議采用兩端固支受拉水平直梁模型，千斤頂回油后，采用修正后的計(jì)算公式計(jì)算出理論目標(biāo)頻率并對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量，如有偏差，調(diào)整鎖緊螺母進(jìn)行調(diào)整；⑥ 全橋吊桿張拉完成后，對(duì)所有吊桿進(jìn)行測(cè)量，與目標(biāo)索力偏差在合理范圍內(nèi)即施工完成，若有較大偏差需尋找原因，重新進(jìn)行參數(shù)修正并對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。吊桿張拉施工監(jiān)控流程如圖6所示。

表4 各吊桿有效計(jì)算長(zhǎng)度修正結(jié)果

基于該文方法對(duì)某剛性系桿拱橋吊桿張拉施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，成果索力如表5所示(1#、21#吊桿頻率無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，未列出)，與成橋目標(biāo)索力相比，最大偏差僅3.0%，滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，可為同類(lèi)型橋梁吊桿張拉索力控制提供參考。

7 結(jié)論

(1) 對(duì)于剛性系桿鋼箱拱橋而言，在張拉設(shè)備較少時(shí)，從兩端拱腳往拱頂依次對(duì)稱(chēng)張拉吊桿方案優(yōu)于從拱頂往兩端拱腳張拉，且張拉過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力更為合理。

圖6 吊桿張拉施工控制流程

(2) 臨時(shí)施工荷載及張拉過(guò)程中錨下拉力損失對(duì)成橋吊桿索力影響較大，拱肋抗彎慣性矩對(duì)成橋索力影響較系梁抗彎慣性矩影響大，吊桿張拉理論分析之前必須對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，并對(duì)臨時(shí)施工荷載進(jìn)行調(diào)查。

(3) 千斤頂張拉吊桿過(guò)程中必須輔以頻率法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用千斤頂法對(duì)頻率法計(jì)算模型參數(shù)進(jìn)行修正，兩端固支受拉水平直梁模型更適用于系桿拱橋吊桿索力測(cè)試。

表5 吊桿成橋索力

(4) 基于該文提出的吊桿張拉索力控制流程對(duì)某剛性系桿拱橋吊桿張拉索力進(jìn)行施工控制，成橋索力與目標(biāo)索力偏差不超過(guò)3%，具有較高精度，滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，可為同類(lèi)型橋梁吊桿張拉索力控制提供參考。