石浦大橋鋼管混凝土系桿拱吊桿索力調(diào)整方法研究

潘建龍

（麗水市公路港航與運(yùn)輸管理中心，浙江 麗水 323000）

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，因系桿拱橋能夠充分發(fā)揮梁受彎和拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用，兼具拱與梁的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)美觀輕巧、跨越能力大、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。此外，因鋼管混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼管與混凝土的優(yōu)點(diǎn)，互相彌補(bǔ)了各自材料的缺點(diǎn)，有助于提高整體結(jié)構(gòu)的受力特性，在系桿拱橋中也逐漸得到應(yīng)用。

吊桿作為系桿拱橋關(guān)鍵的受力構(gòu)件，其內(nèi)力變化和分布情況容易受環(huán)境溫度、橋梁正常運(yùn)營(yíng)、健康狀況等因素影響。吊桿索力是指鋼管混凝土系桿拱各根吊桿所受的張拉力，可分為兩類：第一類是在各施工階段吊桿所受的張拉力；第二類是成橋后吊桿所要保持的張拉力，即吊桿成橋索力，它是運(yùn)營(yíng)時(shí)期關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)有研究表明當(dāng)溫度大幅變化時(shí)，系桿拱橋的內(nèi)力會(huì)發(fā)生較大的變化，吊桿成橋索力也將隨之改變。而且，系桿拱橋作為一種多次超靜定的三元結(jié)構(gòu)，其拱肋和主梁的受力狀態(tài)會(huì)隨著吊桿索力的改變而發(fā)生較大變化，因此吊桿索力的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工控制成為施工關(guān)鍵因素。對(duì)于已經(jīng)完工的鋼管混凝土系桿拱橋，成橋后吊桿索力控制值理論上應(yīng)為平衡載恒產(chǎn)生的吊桿張拉力，同時(shí)考慮成橋后結(jié)構(gòu)線形、短吊桿受力等因素。但受外載作用和自然環(huán)境影響，經(jīng)常存在吊桿索力損失嚴(yán)重，甚至損失偏差超過(guò)規(guī)范值，必須對(duì)吊桿索力進(jìn)行調(diào)整，使橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)理想受力狀態(tài)，線形更接近設(shè)計(jì)線形。

針對(duì)石浦大橋邊跨存在吊桿索力損失病害，本文制定了相應(yīng)的調(diào)整方案，并通過(guò)建立有限元模型模擬分析了邊跨相關(guān)吊桿索力的變化情況，研究成果有助于同類系桿拱橋吊桿索力病害的處治經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

如圖1 所示，石浦大橋主橋?yàn)?0+100+70m 三跨下承式鋼管混凝土系桿拱，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，橫向兩片平行拱肋，拱肋中距25.9m，主跨100m 設(shè)置5 道風(fēng)撐，邊跨70m 設(shè)置3 道風(fēng)撐，拱軸線為拋物線，矢跨比1/5。主跨100m，計(jì)算矢高20m，邊跨70m 計(jì)算矢高14m。系梁和橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，吊桿采用GJ 型鋼絞線整束擠壓式拉索體系，吊桿間距為4.9m，行車道板為25cm 實(shí)心板體系。該橋采用先梁后拱的施工方法，端橫梁及系梁采用支架現(xiàn)澆，中橫梁采用懸掛裝配式施工，主跨拱肋采用龍門吊吊裝、邊跨拱肋采用履帶吊吊裝施工。

圖1 石浦大橋航拍圖

該橋于2019 年12 月通過(guò)交工驗(yàn)收并交付試運(yùn)營(yíng)，2022 年初兩年試運(yùn)營(yíng)期滿后經(jīng)檢測(cè)各部構(gòu)件變形均與成橋時(shí)總體一致，但邊跨小樁號(hào)方向邊孔左側(cè)3 號(hào)桿和右側(cè)3 號(hào)桿、4 號(hào)桿索力超出規(guī)范規(guī)定的±20%范圍，偏差分別達(dá)到了+26.1%、+26.1%和-28.6%。由表1 可見(jiàn)，特別是拱腳附近吊桿較短，拱肋、系梁剛度又相對(duì)較大，不易協(xié)調(diào)恒載和外載產(chǎn)生的吊桿力，更容易發(fā)生吊桿索力變化而偏離規(guī)范要求?；诖耍鲜龅鯒U索力需要調(diào)整滿足規(guī)范要求后才能通過(guò)竣工驗(yàn)收，安全投入正式運(yùn)營(yíng)。該橋投入試運(yùn)營(yíng)后交通量與日俱增，日交通量達(dá)1 萬(wàn)多輛，按常規(guī)調(diào)整吊桿索力方法需多次調(diào)試，要長(zhǎng)時(shí)間封閉交通，將對(duì)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大影響。因此，有必要采取一次性調(diào)整吊桿索力的方法。

表1 調(diào)整前邊跨吊桿索力實(shí)測(cè)值

2 吊桿索力一次性調(diào)整方法研究

2.1 吊桿索力調(diào)整方案

從表1 可以看出，只是靠近拱腳左右側(cè)的3 號(hào)吊桿索力偏大，同時(shí)右側(cè)靠近3 號(hào)的4 號(hào)吊桿索力又偏小，而其它均在規(guī)范范圍內(nèi)?；诠袄吆拖盗簞偠缺葘?duì)吊桿張拉產(chǎn)生的影響，特別是跨中長(zhǎng)吊桿在張拉過(guò)程中，在已張拉對(duì)應(yīng)恒載索力的情況下，會(huì)由于系梁和拱肋的彈性變形而損失后期調(diào)整的這部分張拉力。拱腳附近剛度相對(duì)較強(qiáng)，吊桿索力隨著千斤頂?shù)膹埨龃?。也就是說(shuō)對(duì)于調(diào)索而言，長(zhǎng)吊桿反映在結(jié)構(gòu)的變形，而短吊桿的索力對(duì)張拉較敏感?？紤]到這些因素，吊桿主動(dòng)張拉力以成橋恒載力為控制目標(biāo)值，吊桿調(diào)整索力兼顧結(jié)構(gòu)線形。因此，本文采取釋放左右側(cè)3 號(hào)桿一定量張拉力的手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊桿索力的一次性調(diào)整，如表2 所示。

表2 邊跨吊桿索力調(diào)整方案

2.2 有限元計(jì)算模型與結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，本文采用MIDAS 建立了邊跨有限元計(jì)算模型（圖2）。該模型共有436 個(gè)節(jié)點(diǎn)，580 個(gè)單元，其中吊桿單元26 個(gè)，梁?jiǎn)卧?54 個(gè)。

圖2 邊跨有限元計(jì)算模型

混凝土系桿拱橋是一個(gè)外部靜定而內(nèi)部高次超靜定的結(jié)構(gòu)，在張拉吊桿的過(guò)程中，后張拉的吊桿張拉時(shí)會(huì)引起已張拉吊桿的索力發(fā)生變化，而已張拉的吊桿也會(huì)對(duì)后張拉的吊桿索力產(chǎn)生影響，所以在整個(gè)張拉過(guò)程中，除了最后張拉的一組吊桿，其他的一直都處于變化狀態(tài)，因此需要對(duì)施工過(guò)程的吊桿張拉控制力進(jìn)行監(jiān)控，確保吊桿力正常。經(jīng)過(guò)各階段張拉，使吊桿索力達(dá)到目標(biāo)控制力。

根據(jù)表2 的一次性調(diào)整方案進(jìn)行有限元模擬，得到圖3 中微調(diào)后的理論計(jì)算索力和有限元計(jì)算索力結(jié)果，以及與成橋理論索力的偏差?？梢?jiàn)，通過(guò)微調(diào)后，整個(gè)橋梁的吊桿索力均發(fā)生變化。其中，與調(diào)整前實(shí)測(cè)索力相比，左側(cè)3 號(hào)吊桿微調(diào)后，4、5 號(hào)吊桿的理論計(jì)算索力和有限元計(jì)算索力均發(fā)生了1%以上的變化（最大偏差達(dá)到14.1%），其他吊桿索力變化在1%以下。右側(cè)3 號(hào)吊桿微調(diào)后，4、5、6 號(hào)吊桿的理論計(jì)算索力和有限元計(jì)算索力均發(fā)生了1%以上的變化（最大偏差達(dá)到-17.1%），其他吊桿索力變化在1%以下。

圖3 微調(diào)前后的吊桿索力理論值和計(jì)算值

圖4 為微調(diào)后的結(jié)構(gòu)變形分析?？梢?jiàn)，微調(diào)左側(cè)3號(hào)桿后，拱肋結(jié)構(gòu)最大變形在調(diào)索處，為1.4mm，系梁最大變形也在調(diào)索處，為0.6mm；微調(diào)右側(cè)3 號(hào)桿后，拱肋結(jié)構(gòu)最大變形在調(diào)索處，為2.4mm，系梁最大變形也在調(diào)索處，為1.1mm。

圖4 微調(diào)后的結(jié)構(gòu)變形（mm）

3 吊桿索力調(diào)整實(shí)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)按順序張拉吊桿進(jìn)行索力調(diào)整，經(jīng)施工方和第三方檢測(cè)后得到的各吊桿索力實(shí)測(cè)值如圖5 所示。可見(jiàn)，微調(diào)后右側(cè)3 號(hào)和4 號(hào)吊桿索力的調(diào)整效果好于預(yù)期，但左側(cè)3 號(hào)和4 號(hào)吊桿索力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值有一定差距。其中，雖然微調(diào)后左側(cè)3 號(hào)吊桿索力偏差率有19.8%，但仍然滿足規(guī)范規(guī)定的不超過(guò)20%要求；微調(diào)后左側(cè)4 號(hào)吊桿索力反而與成橋索力仍然相接近，其它吊桿索力也變化不大。這可能是由于左側(cè)3 號(hào)吊桿釋放張拉力不足造成的，這一點(diǎn)也可以從右側(cè)3 號(hào)吊桿調(diào)整索力后的結(jié)果看出，為此釋放張拉力應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)母挥嗔坎趴赡苓_(dá)到調(diào)整吊桿索力的理想目的?？傮w而言，采用本文的一次性調(diào)整方法能夠滿足規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，而且節(jié)省了一半的交通管制時(shí)間。

圖5 微調(diào)前后的吊桿索力實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論

針對(duì)石浦大橋邊跨吊桿索力病害，本文采用一次性調(diào)整方法，并通過(guò)建立有限元模型模擬分析了邊跨相關(guān)吊桿索力的變化情況，主要結(jié)論有：

（1）根據(jù)理論調(diào)試計(jì)算和有限元模擬分析，相比調(diào)整前實(shí)測(cè)索力，與調(diào)整吊桿相鄰的吊桿索力變化相對(duì)較大，拱肋和系梁最大變形均發(fā)生在調(diào)索處，但最大變形僅有2.4mm。

（2）調(diào)整后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的各吊桿索力均滿足規(guī)范要求，表明采取釋放靠近拱腳處號(hào)桿一定量張拉力的手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)吊桿索力的一次性調(diào)整。

（3）建議釋放張拉力時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)母挥嗔坎趴赡苓_(dá)到調(diào)整吊桿索力的目的，對(duì)于有相鄰吊桿索力明顯偏低的吊桿，可以采用通過(guò)提升相鄰吊桿索力的方法達(dá)到調(diào)整降低索力明顯偏高的吊桿索力。