某钢管混凝土系杆拱桥的吊杆张拉施工监控分析研究

黄英军，徐立强

（1.广东中天市政工程设计有限公司，广东佛山 525820；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

0 引言

钢管混凝土系杆拱桥以其跨度大、结构轻、造型美、省建材等优点，被广泛应用于桥梁结构。但该桥型技术复杂，施工难度大，已经暴露和潜在的问题还很多，亟待广大工程技术人 员在实践中不断探讨和完善[1，2]。本文将结合工程实践就吊杆力张拉监控的问题做简要阐述。桥梁施工监控是保证桥梁建设安全可靠的重要环节。系杆拱桥结构复杂,施工工序多,尤其是吊杆张拉过程中不确定因素多，对施工的要求较高[2，3]。

1 工程实例

1.1 工程简介

某跨河桥全线桥跨布置为：（2×10.901）m钢筋混凝土变宽箱梁+（3×22+21+22）m预应力混凝土空心板+60 m钢管混凝土系杆拱+（5×22）m预应力混凝土空心板+（2×11.294）m钢筋混凝土变宽箱梁。主桥上部为下承式预应力混凝土系杆钢管拱，拱肋轴线为抛物线，计算跨径l=58 m，计算矢高f=11.6 m。主桥系梁及横梁采用现场浇注；管内混凝土采用从拱脚向拱顶连续泵送的施工技术。主桥有限元模型见图1。

1.2 施工方法及顺序

图1 主桥有限元模型图

吊杆张拉是常见系杆拱桥施工的重要步骤，对拱桥的施工质量有很大的影响。因此，如何制定合理的张拉顺序及方案，应当尽可能减小张拉次数[4-6]。现场可投入6套张拉设备（可提供1500 kN以内的张拉力），同时对2组（共计6根吊杆）张拉。吊杆编号原则为从左至右分别为1#～10#。吊杆分两阶段张拉（分别为吊杆一张和吊杆二张）。吊杆一张采用2次张拉（1#和10#吊杆除外），吊杆二张为1次张拉。吊杆一张结束后需进行吊杆张拉力测量，若和理论值相符，则表明可进行桥面铺装等施工工序，若不满足相关要求则需查明原因，处理完毕后方可施工。吊杆一张及吊杆二张的张拉顺序为：3#&8#→5#&6#→2#&9#→4#&7#→1#&10#→4#&7#→2#&9#→5#&6#→3#&8#。

2 施工仿真计算

2.1 仿真计算的基本原则

张拉过程中理论计算对指导施工方案、及保证工程质量方面有很重要的作用。本工程张拉过程中应对张拉工况进行的模拟，并及时根据监测反馈的数据信息及时调整，以便科学准确地指导施工。本计算采用MIDAS CIVIL有限元计算软件，理论的计算原则如下：

（1）吊杆一张及吊杆二张要满足设计单位提供的吊杆力；

（2）理论计算过程中采用的分项系数均为1.0；

（3）钢管混凝土拱肋采用施工阶段联合截面进行分析；

（4）吊杆伸长量要协调，不容许出现个别吊杆伸长量过长；

（5）由于桥面上施工器械分布不均匀且无规律可循，理论模拟计算过程中不对施工机械进行仿真（张拉过程中对无关施工机械要清出桥面）。

2.2 计算数据汇总

吊杆内力在一张过程中，依据参考文献[1]中的“倒装法”，计算出吊杆力后，采用相反的顺序进行正装可计算出张拉阶段过程中吊杆力的变化情况。对于吊杆一张到吊杆二张过程中的理论计算，采用参考文献[6]刚度影响矩阵计算出所施加的吊杆力。吊杆力的大小见表1（6#～8#吊杆与1～5对称，仅示意一半，且括号外为吊杆一张的数据，括号内的为吊杆二张的数据。）

表1 主桥吊杆力汇总（单位：kN）

3 施工监测数据分析

3.1 吊杆力监控原理

索力采用压力传感器及频率式索力仪进行测量。频率式索力仪通过测定拉索的振动频率按修正的振弦计算公式计算拉索的拉力。索力测定的理论基础是弦振动理论，张紧的拉索，并考虑其抗弯刚度，其动力平衡方程为：

式中：y——横向坐标（垂直于索的长度方向）；

x——纵向坐标（沿索的长度方向）；

w——单位索长的重量；

g——重力加速度；

T——索的张力；

t——时间；

EI——索的抗弯刚度。

假定索的两端是铰结的，则式（1）的解为：

式中：fn——索的第n阶频率；

l——索长；

n——振动阶数。

对于某一确定的索，式（2）右边的w、l、g都是已知的，如果能确定fn，并确定相应的n，便可求得索力T。

3.2 监测数据与计算数据比较分析

由于本桥施工过程中，吊杆一张后系梁等构件未完全脱模，经现场分析后采用强制脱模，并检查应力及桥梁线形等，均满足设计要求，因此进一步施工桥面附属结构，施工桥面铺装等。附属设施施工后测得个别吊杆力与设计值相差较大，具体数值见图2、图3。

图2 吊杆一张中吊杆力理论值及实测值对比图（单位：kN）

图3 吊杆一张边吊杆力理论值及实测值对比图（单位：kN）

从图2、图3中可以看出：边拱肋中3#～8#吊杆内力和成桥后的吊杆内力相差很小，而边拱肋短吊杆的内力相差较大（短吊杆较难精准测量其数据）；中拱肋吊杆内力均小于成桥后内力，需要进一步补张。出现这种情况的主要原因是由于，边拱肋的防撞护栏没有被凿除，而中拱肋上的防撞护栏已凿除。经过计算以及上述测量结果可以看出，张拉吊杆时，边吊杆和中吊杆相互影响很小，可以忽略不计。因此，指定吊杆二张的张拉总体方案如下：

（1）利用文献 [6]所示的方法，利用刚度矩阵求解补充的张拉力。

（2）短吊杆的内力可以通过油压表读数最终控制。在张拉短吊杆过程中应适当加强监控相邻中长吊杆内力的测量频率。

（3）张拉完毕后，若个别吊杆内力和设计值有出入时，可以适当补张个别吊杆以达到设计要求。

经上述计算原则确定张拉方案进行张拉，调整后的吊杆力见图4、图5，其中1#、2#、9#和10#等短吊杆是由油压表读数控制吊杆力。因此，相对误差理论上讲是零。

图4 吊杆二张中吊杆力理论值及实测值对比图（单位：kN）

图5 吊杆二张边吊杆力理论值及实测值对比图（单位：kN）

4 小结

根据以上的分析，类似拱桥吊杆张拉施工时，总结出以下结论。

（1）鉴于短吊杆（长度小于5 m）内力测量数据与实际数据偏差较大，吊杆力可由油压表数据直接读出（不采用测频率的方法）。

（2）对钢管混凝土系杆拱桥吊杆受力复杂，在张拉前应做详尽的计算分析，为施工监控提供理论依据。

（3）根据现场施工能力制定合理的张拉顺序，且实测吊杆力与理论计算偏差较大时，应立即停止张拉找出原因并经处理后方可进一步张拉。

[1]顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]陈久恒.飞燕式钢管混凝土拱桥系杆与吊杆施工分析与控制[J].国防交通工程与技术，2010（2）：51-53.

[3]于琦,孟少平.系杆拱桥张拉控制有限元模拟方法研究[J].特种结构，2008（3）：88-91.

[4]彭宣茂.系杆拱桥吊杆初始张拉力的计算方法 [J].水利水电科技进展，2000（12）：32-33.

[5]徐君兰.大跨度桥梁施工控制 [M].北京：人民交通出版社,2000.

[6]李新平，钟健聪.空间系杆拱桥吊杆张拉控制分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），2004（7）：89-92.