基于Midas Civil的鐵路系桿拱橋索力調(diào)整方案探討

褚繼榮 中國鐵路上海局集團有限公司杭州工務(wù)段

鐵路下承尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋造型美觀，建筑高度低，跨越能力強;外部靜定結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性強；橋梁結(jié)構(gòu)豎、橫向剛度大，整體橋面對軌道的應(yīng)對性能好；造價經(jīng)濟，養(yǎng)護方便，設(shè)計成系列孔跨應(yīng)用到鐵路橋梁上來。隨著時間的推移，吊桿索力損失，面臨著吊桿索力調(diào)整和換索的難題。

1 工程背景

1.1 工程概況

宣杭線112#東苕溪特大橋正橋結(jié)構(gòu)為提籃式尼爾森體系鋼管混凝土系桿拱橋，在我國鐵路上為首次采用，如圖1所示。系桿拱橋為剛性系梁剛性拱，宣城側(cè) 21#墩位于德清縣東苕溪防洪大堤上，杭州側(cè) 22#墩位于杭州市西險大塘防汛通道上。正橋全長116 m，計算跨徑112 m，矢跨比f/l=1:5，拱肋采用懸鏈線線型，拱軸系數(shù)1.347，拱肋平面內(nèi)矢高 22.4 m，固定支座布置在 22#墩上，吊桿布置采用尼爾森體系，斜吊桿平面內(nèi)水平夾角在52.10°～68.67°之間，橫橋向水平夾角為77°，吊桿長9.1 m～25.5 m，吊桿間距8 m，吊桿索體采用低應(yīng)力防腐新型索體PES（FD）7-127，邊吊桿為PES（FD）7-139，錨具采用0VWLZM7-127。張拉端設(shè)置在拱肋上，吊桿預(yù)留孔道內(nèi)及保護罩空隙內(nèi)注防腐油脂防護。本橋于2005年8月28日竣工并投入運營（圖1）。

圖1 東苕溪特大橋正橋

1.2 病害情況

該橋竣工于2005 年，運行狀況良好，2011 年對全橋吊桿力進行過一次檢測。2017年對全橋吊桿力重新進行檢測時，發(fā)現(xiàn)全橋吊桿力分布發(fā)生較大變化，如表1所示，其中下行側(cè)4號吊桿力與2011年相比損失了30%左右，索力偏差超過規(guī)范值±10%，為了保證橋梁運行安全，使吊桿索力達到規(guī)范要求，同時是全橋吊桿索力分布均勻，對該橋吊桿索力進行調(diào)整。

表1 各吊桿實測索力匯總對比表

2 索力調(diào)整

2.1 目標(biāo)和原則

通過調(diào)整索力改變?nèi)珮蚶鞯氖芰顟B(tài)和橋面線型，使橋梁結(jié)構(gòu)達到最佳受力狀態(tài)和線型更接近設(shè)計線型，保證列車通行的安全性和舒適性。由于下行4 號吊桿索力偏差為-31%，索力偏差超過規(guī)范值±10% ，本次調(diào)索的目標(biāo)是調(diào)索后使下行4 號桿索力達到相對理想受力狀態(tài)，全橋索力相對于目標(biāo)索力的差值在±5%內(nèi)，橋面標(biāo)高與預(yù)期值的偏差在±20 mm內(nèi)。

2.2 有限元模型分析

借助Midas Civil 2017 建立了東苕溪特大橋正橋空間桿系模型，模型全長116 m，計算跨徑112 m，寬15 m，高22.4 m，如圖2。全橋模型包括節(jié)點319個，單元311個。其中系梁使用梁單元模擬，共58 個單元；拱肋使用梁單元模擬，共116 個單元；吊桿使用只受拉桁架單元模擬，共48個單元；系桿使用只受拉桁架單元模擬，共16個單元。

圖2 東苕溪特大橋正橋模型

2.3 荷載

在既有成橋狀態(tài)的基礎(chǔ)上，依據(jù)索力調(diào)整方案，按照由系梁兩端向跨中的順序進行吊桿索力調(diào)整，分8批進行，共計11根吊桿，對吊桿力進行調(diào)整如表2所示。

表2 吊桿索力調(diào)整數(shù)據(jù)表

2.4 吊桿調(diào)整張拉模擬結(jié)果

經(jīng)過全部批次的吊桿力調(diào)整，將整修后各吊桿力與整修前及設(shè)計吊桿力進行對比，得到圖3、圖4 所示?？梢钥吹?，按照擬定方案進行吊桿力調(diào)整，可以使得實測時具有較大損失的吊桿內(nèi)力恢復(fù)至接近設(shè)計水平，同時保證了實測時具有較大內(nèi)力吊桿處的內(nèi)力沒有發(fā)生失控的變化?？傮w上看，按照該方案進行吊桿力調(diào)整與實測吊桿力相比，全橋吊桿力分布相對均勻，但與設(shè)計吊桿力相比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在實際測到的個別吊桿內(nèi)力的突然增大沒有完全解決，上行側(cè)9 號比設(shè)計值增大27.9%、下行側(cè)9’號比設(shè)計值增大30.1%，同時上行側(cè)10號、下行側(cè)6號、10號吊桿內(nèi)力偏低。

圖3 上行整修后各吊桿力與整修前及設(shè)計吊桿力

圖4 下行整修后各吊桿力與整修前及設(shè)計吊桿力

3 吊桿調(diào)整索力施工方法及工藝流程

3.1 吊桿調(diào)整索力的基本要求

本次吊桿調(diào)整索力的總體要求是：在保證原橋結(jié)構(gòu)安全的前提下，按照由系梁兩端向跨中的順序進行吊桿索力調(diào)整，分8 批進行，共計11 根吊桿，如表1 所示。吊桿調(diào)整索力過程中控制吊桿張拉力不超出設(shè)計范圍，并通過調(diào)整各吊桿的受力狀態(tài)，獲得較理想的橋面線形和內(nèi)力狀態(tài)。同時，由于鐵路的特殊性，電氣化區(qū)段和交通繁忙，作業(yè)必須在停電施工內(nèi)進行，吊桿張拉施工期間橋面上應(yīng)無列車活載，所以作業(yè)時間有限，需改進作業(yè)工序，無法照搬公路調(diào)整的施工工序。

3.2 施工工裝

施工工裝由下墊板、張拉螺母、張拉桿、張拉反力架、壓力傳感器、張拉桿螺母、組合千斤頂和液壓電油泵組成，如圖5所示。

圖5 施工工裝圖

3.3 施工工藝流程

吊桿索力調(diào)整的工藝流程：施工準備→干涉護欄拆除→吊桿錨頭防護罩拆除，錨頭油脂清理→張拉工裝安裝、調(diào)試→反復(fù)3次張拉，確定原吊桿索力→正式調(diào)索張拉，將吊桿索力張拉至調(diào)整吊桿力→拆除張拉工裝→錨頭重新填充防腐油脂，恢復(fù)錨頭防護罩→干涉護欄恢復(fù)→施工掃尾，工完料清。

3.3.1 施工準備

查閱相關(guān)竣工圖紙，核實吊索規(guī)格、錨具尺寸等參數(shù)，為張拉工裝設(shè)計以及傳感器的選擇提供可靠依據(jù)?？紤]到鐵路施工封鎖天窗的限制，每天的施工時間短，故應(yīng)配備足夠的施工人員及備用設(shè)備，并仔細檢查設(shè)備狀態(tài)，減少故障的發(fā)生，提高天窗時長內(nèi)的工作效率。

3.3.2 干涉護欄拆除及吊桿錨頭防護罩拆除和錨頭油脂清理

（1）本橋工設(shè)置了爬梯及護欄，在與張拉工裝有干涉的爬梯及護欄位置進行臨時拆除。同步進行吊桿錨頭防護罩拆除，錨頭油脂清理。

（2）將錨墊板上的油污、廢渣等雜物清理干凈，確保板面清潔干燥；檢查并測量冷鑄錨頭內(nèi)外螺牙有無破損，是否與錨墊板孔眼中間對正。

3.3.3 調(diào)索工藝

吊桿的張拉程序：依次旋入下墊板、張拉連接頭、張拉桿，安裝張拉反力架、傳感器、張拉桿螺母以及組合千斤頂，接好電油泵以及傳感器顯示器，完成張拉準備工作，如圖6所示。

圖6 索力調(diào)整張拉組裝圖

啟動油泵，緩慢進油，并觀察吊桿錨固螺母與錨墊板結(jié)合情況，待螺母剛剛脫離錨墊板時記錄傳感器數(shù)據(jù)，此時即為該吊桿的錨固索力。

正式調(diào)整吊桿索力時，均應(yīng)先將吊桿索力放松為零后重新張拉至調(diào)整值，應(yīng)分三級進行，每級張拉或放張值不應(yīng)超過吊桿索力值的40%。根據(jù)傳感器讀數(shù)，確定記錄調(diào)整值。按預(yù)先計算并確定調(diào)索的相應(yīng)的張拉力，通過電動油泵進油或回油逐級調(diào)整索力。如果是降低索力，則先進油張拉至上次張拉的噸位，看錨圈是否有所松動，如果沒有松動，則增加少許拉力，使錨圈松動，反時針擰松錨圈至大于拉索回縮量位置，油泵緩慢回油使拉索索力降低，直到滿足設(shè)計要求，隨即擰緊錨圈，量測并檢查索力調(diào)整后各項數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計要求；如果是增加索力，則緩慢進油張拉至設(shè)計索力值，隨即擰緊錨圈。由監(jiān)測單位復(fù)核索力，檢驗合格，然后固定錨具螺母，拆除張拉工裝，完成單根吊桿的張拉。

3.3.4 工完料清

錨頭重新填充防腐油脂，恢復(fù)錨頭防護罩，并用封錨密封膠密封；用電焊將護欄恢復(fù)。

4 施工關(guān)鍵點

4.1 天窗內(nèi)各工序時間節(jié)點控制

宣杭線上行線04:20-06:40 線路封鎖140 min，自04:40-06:20 止同時停電100 min，宣杭1620 供電單元同時停電，對應(yīng) 下 行 線 K190+200 至 K189+900 處 5：00-6：00（封 鎖 60 min）。如何在有限的停電時間內(nèi)完成索力的調(diào)整，對此，我們優(yōu)化了施工流程，壓縮了作業(yè)時間，吊桿索力調(diào)整時間分配為：接觸網(wǎng)停電（20 min）；上拱、張拉工裝安裝、調(diào)試（30 min）；反復(fù)3 次張拉，確定原吊桿索力（10 min）；正式調(diào)索張拉，將吊桿索力張拉至調(diào)整吊桿力（20 min）；拆除工裝、工完料清（20 min）；施工負責(zé)人上拱檢查確認（10 min）；接觸網(wǎng)恢復(fù)供電（10 min）。

4.2 改進張拉設(shè)備

在施工開始時，我們使用的是傳統(tǒng)的帶有螺絲的千斤頂，使用人力進行頂進工作，使用后發(fā)現(xiàn)無法頂起，且效率太低。立即改用4 臺50 t 的油壓千斤頂 ，縮短了張拉時間，提高了索力張放效率，為索力調(diào)整創(chuàng)造了條件。

4.3 線路開通確認，線路軌面的幾何尺寸檢

帶班人員要按施工安排，在施工地段對系桿拱進行全面檢查，線路工區(qū)配合檢查線路軌面的幾何尺寸是否有變化，同時確認無遺留工機具，不影響行車安全，達到放行列車條件，確認材料、機具不侵入限界，并認真做好記錄，及時向施工負責(zé)人匯報。

5 吊桿實際調(diào)整索力與模擬數(shù)據(jù)對比分析

經(jīng)過全部批次的吊桿力調(diào)整，將整修后各吊桿力與有限元模擬調(diào)索后理論索力進行對比，得到圖7、圖8 所示。上行共調(diào)整7根吊桿，分別為上行2號、2’號、3號、3’號、4’號、5號和7 號，通過分析對比上行吊桿索力，上行1 號整修后索力比有限元模擬調(diào)索后理論索力偏低6.6%，上行4 號整修后索力比有限元模擬調(diào)索后理論索力偏低7.5%，其余吊桿索力偏差不大，所以調(diào)索施工完成后上行線全橋索力與有限元模擬調(diào)索后理論索力比較吻合。

圖7 上行整修后各吊桿力與有限元模擬調(diào)索后理論索力

圖8 下行整修后各吊桿力與有限元模擬調(diào)索后理論索力

下行共調(diào)整4根吊桿，分別為下行2號、2’號、3’號、4號，通過分析對比下行吊桿索力，下行1 號整修后索力比有限元模擬調(diào)索后理論索力增大11.6%，下行2 號整修后索力比有限元模擬調(diào)索后理論索力偏低5.9%，下行4 號整修后索力比有限元模擬調(diào)索后理論索力偏低5.1%，下行2’號整修后索力比有限元模擬調(diào)索后理論索力偏低5.8%，其余吊桿索力偏差不大，所以調(diào)索施工完成后下行線全橋索力與有限元模擬調(diào)索后理論索力比較吻合。

6 結(jié)束語

吊桿是系桿拱橋十分重要的構(gòu)件，可謂是系桿拱橋橋的“生命線。國內(nèi)鐵路有關(guān)吊桿索力調(diào)整的經(jīng)驗不多，本文結(jié)合宣杭線112#東苕溪特大橋系桿拱吊桿索力調(diào)整施工，對吊桿索力調(diào)整的原則、施工工藝及監(jiān)測手段，以有限元分析軟件Midas Civil 2017 建立的模型，制定調(diào)索方案，對吊桿索力進行研究，結(jié)果表明：

（1）通過工程實踐，索力調(diào)整后下行線4號吊桿索力可恢復(fù)至接近設(shè)計值，全橋吊桿索力分布比調(diào)整前均勻。按數(shù)值模擬的調(diào)索順序和設(shè)計值進行現(xiàn)場施工，調(diào)整后5 根吊桿索力值比數(shù)值模擬值低 5.1%～7.5%，1根吊桿索力值比數(shù)值模擬值大 11.6%，其余吊桿索力相差不大。

（2）采用的索力調(diào)整方法和工程實踐為鐵路系桿拱橋吊桿索力調(diào)整積累了寶貴的經(jīng)驗，可作為類似工程的參考。

（3）按照調(diào)整方案進行整修，可以使不具有很大內(nèi)力的吊桿在內(nèi)力增加的同時將損失較大的吊桿內(nèi)力調(diào)整至設(shè)計值附近，使得吊桿力相對均勻。但與設(shè)計吊桿力相比仍有一定差距，主要體現(xiàn)在保留了部分較大吊桿內(nèi)力的實測值沒有進行調(diào)整。