大跨度连续钢管拱桥吊杆的安装施工技术

中铁六局集团建筑安装工程有限公司 太原 030045

1 工程概况

太北跨北同蒲铁路特大桥梁拱组合桥（图1）连续梁跨度组成为（73.9+148+128+148+73.9）m，其中三联跨钢管混凝土拱两侧次边跨计算跨度148.0 m，设计矢高29.6 m，矢跨比1∶5，拱轴线采用二次抛物线；中跨计算跨度128.0 m，设计矢高25.6 m，矢跨比1∶5，拱轴线采用二次抛物线。全桥共有6榀钢管混凝土拱，拱肋采用等高度哑铃形截面，拱肋截面高度为3.0 m，拱肋弦管采用φ1.0 m×16 mm钢管，弦管之间用厚16 mm的缀板连接，2榀拱肋横向中心距14.0 m；每榀拱肋设置17根吊杆，次边跨的吊杆间距为7.4 m，中跨的吊杆间距为6.4 m，吊杆采用PES（DF）7-91型低应力防腐拉索（平行钢丝束），外套复合不锈钢管，配套使用LZM7-91型冷铸墩头锚；吊杆采用单端张拉，上端置于拱肋内部，下端锚于吊点横梁，吊杆张拉端设在梁底。全桥采用先梁后拱施工方法，即：下部结构施工→梁体混凝土浇筑→钢管拱拱肋制作及安装→钢管混凝土浇筑→吊杆安装及张拉→桥面系施工→吊杆索力调整。吊杆的张拉施工为其关键工序，如何确保吊杆索力满足设计及规范要求尤为重要，其不但影响到整桥的线形控制，也直接影响到施工工期及施工成本[1,2]。

2 吊杆安装及张拉

2.1 总体施工方法

图1 钢管混凝土拱桥

吊杆根据现场实测长度在工厂内制作成成品索，利用桥位上的汽车吊安装吊杆，上端冷铸锚头穿过上锚箱球型支座卡紧后，使用螺母锁紧，下端穿过下锚箱索道管后，利用专用的张拉设备进行对称张拉，多次张拉后达到设计值。施工工艺流程如下：施工准备→吊杆安装→安装吊杆固定端的垫圈、螺母→安装吊杆张拉端的垫圈、螺母→调试张拉设备、检查→安装张拉设备、电源及油路→吊杆分级张拉→吊杆对称张拉到位、拧紧螺母→吊杆固定端、张拉端防护处理。

2.2 施工准备

1）通过全站仪、钢尺对吊杆长度进行测量，确保测量长度和安装现场实际长度保持一致。

2）对现场安装吊杆的机械设备进行进场检查，设备及操作人员的相关证照必须齐全。

3）对进场的吊杆进行验收，确保吊杆外部PE护套无损坏，锚具丝扣无损伤，吊杆的加工长度与技术部门提供的长度一致，标识标记齐全无误。

2.3 吊杆安装

2.3.1 展索

本项目在桥面上进行展索作业，将索架平放，利用汽车吊牵引以完成放索，为便于放索，将索架设计成圆盘结构，由上下底盘构成，之间设轴承和滚珠。

2.3.2 吊杆连接结构

吊杆提升牵引采用汽车吊，吊杆非张拉端锚具内有细扣，拆除端部盖后，汽车吊挂钩、钢丝绳与吊杆间用特制连接头（专用补心卸扣）连接（图2），索体外的保护材料不拆除，以保证吊杆在提升及穿索过程中不受到破坏。

图2 特制连接头示意

2.3.3 吊杆安装

此阶段作业内容涉及的区域广，安全系数较大，作业时须掌握以下要点：

1）需根据张拉端锚杯质量在其所处直径的另一端加配相同质量铁块以平衡力矩，使得索盘能匀速转动。

2）在桥面上进行展索及安装过程中，可设置相应的柔软物件，防止对索体造成破坏。

3）吊杆安装从上锚箱下穿至下锚箱，固定端就位后进行紧固，张拉段锚具穿过下锚箱后进行临时固定，待张拉完成后进行固结。

4）各作业点实施人员须统一步调，遇到紧急情况及时作出正确的反应。

5）起重设备应符合行业规范，应具有充足的安全系数，防止坠物或倾覆。

2.4 吊杆张拉

本桥吊杆张拉端在连续梁翼缘下横梁处，为梁下张拉，张拉时从桥面处设置吊篮（固定于挡砟墙钢筋上），人和张拉设备（张拉撑脚、穿心千斤顶等）放在吊篮内进行张拉作业。

2.4.1 张拉顺序

根据设计要求，吊杆张拉顺序为先次边跨后中跨，每跨张拉时按照吊杆编号顺序进行。

吊杆完成第1次张拉后，张拉系梁第2批纵向预应力束，桥面二期荷载施工完成后，最后一次调整系杆内力至设计要求值。由于结构实际的刚度较理论计算大，且拉索承载力较大，在施加二期恒载时吊杆力增量一般小于理论值，故可适当加大索力（本项目每根索加大30 kN）。

2.4.2 张拉施工

桥面荷载先通过梁体传给吊杆，再传递给拱肋，最后传到桥墩上。由于吊杆不同的施工加载顺序会影响吊杆的受力均匀性，局部吊杆索力增大，弹性变形过大会造成梁体出现裂缝。故吊杆张拉时，采用4套张拉设备同时进行，根据设计提供的张拉力进行分段张拉，张拉时需监控桥面、拱肋的变形情况，严格控制系杆的内力和伸长量，应力和伸长量的偏差不得超过规范设计要求，发生异常应停止张拉；张拉设备在未张拉前空载活动2个行程，确保张拉过程中顺利进行；当达到设计、监测要求后，稳住油压，旋紧锚圈，使锚圈与锚垫板充分结合，而后卸除油压完成张拉作业[3-5]。

2.5 吊杆固定端及张拉端的防护处理

按照设计要求，在固定端内部充填防腐油漆，安装固定端防护钢板；安装张拉端的减振器、密封装置、防护罩，在防护罩内充填防腐油脂。

2.6 施工控制要点

1）在吊杆的运输和安装过程中，注意保护吊杆的PE外防护层。吊杆在搬运和安装过程中严禁在地面上拖动；杆在穿过预埋管时速度要慢，保证顺利通过。

2）张拉时应对称张拉，必须按照设计要求进行逐一张拉。

3）张拉要严格按照要求进行操作，张拉过程中出现异常现象时，应停止施工，并及时报请现场监理和设计，待查明原因后方可继续施工。

4）张拉油泵设置在桥面上，油泵操作人员应与混凝土底部张拉吊篮中的施工人员协调一致。

5）张拉操作必须平稳、逐级、对称进行，并做好张拉记录。

3 吊杆索力监测

3.1 索力监测的必要性

吊杆是钢管混凝土拱桥中最重要的承载构件，是桥梁的“生命线”，它的安全性、耐久性决定着桥梁主体的承载能力和结构安全。

吊杆的受力状态是桥梁安全与正常使用的重要指标，监测吊杆的索力对于及时反映它们的工作状态和调整其结构内力是极为重要的。应力松弛、主梁混凝土的收缩徐变、拱肋变形、气候的变化等许多因素，都会对整个桥梁结构产生影响。

在施工和成桥后的正常使用过程中，存在各种误差和偶然因素的联合作用，使结构内力和线形偏离正常状态，需要掌握关键的索力信息进行监控和调整，以保证桥梁安全。

因此及时监测吊杆的受力状态是桥梁健康监测的重要内容。通过索力测量，可以作为桥梁施工监控、成桥试验的重要依据，吊杆的荷载响应情况和历史变化趋势曲线可作为分析吊杆是否处于正常运营状态及桥梁主体结构是否安全的一个重要依据。

3.2 索力监测传感器技术的选择

按照设计要求，需要在吊杆上安装检测装置，通过技术对比，选择了磁通量传感器技术为吊杆索力进行长期监测，它能够满足吊杆索力长期监测的技术要求，一是传感器的长期精度；二是传感器的使用寿命。磁通量传感器与其他压力传感器技术相比，较好地解决了以下问题：通过非接触式测量解决传感器受力疲劳问题；用模拟标定来实现运营过程中的数据校准；更换损坏的传感器时，采用哈弗式设计直接在已受力的拉索上制作及安装，在不影响桥梁运营的前提下实现替代。

3.2.1 磁通量传感器技术

磁通量传感器基于拉索的磁弹效应工作，当拉索受到荷载作用时，内应力发生变化，引起拉索内部的磁场发生变化，故可通过测量拉索的磁导率变化来得到相应的索力。

磁通量传感器结构如图3所示，主要由初级线圈和次级线圈构成，内置温度传感器用于温度补偿。磁通量测试系统如图4所示，主要由传感器和磁弹仪组成，便携式磁弹仪自身带有操作平台及LCD显示器，能实现多通道测量，可直接操作读数，也可通过仪器上的通信接口与计算机系统相连，实现数据自动采集及远程监控。

图3 磁通量传感器结构示意

图4 监测系统组成示意

3.2.2 磁通量传感器的技术特点

1）非接触性测量，不损伤结构；

2）传感器维护方便、使用寿命长；

3）测量精度高、重复性好；

4）可实现自动温度补偿，可组建在线监测系统。

3.3 吊杆索力监测配置

根据本工程大跨度连续梁三联跨钢管混凝土拱桥的结构特点，考虑吊杆索力监测实现方式在本工程实际中的适用性、可行性、经济性，最终实施以下索力监测方案：

1）全桥102根吊杆全部安装磁通量传感器，索体规格为PES（DF）7-91，适配传感器型号为CCT100，数量102台。

2）每跨拱肋下设置1个数据采集站，集成该跨拱肋吊杆上的传感器信号，跨全桥共设置3个多通道数据采集站。

3）传感器与相应的数据采集站用数据线连接，数据线用线槽进行布线及保护。传感器安装在吊杆的张拉端。

4）全桥配套磁弹仪1台，用人工方式使用笔记本电脑逐个与数据采集站接驳进行索力数据采集。

3.4 吊杆索力监测实施的效果

在太北跨北同蒲铁路特大桥连续梁三联跨钢管混凝土拱桥施工中，通过磁通量传感器进行索力监测，有效收集索力数据，经分析、验算，在连续梁梁面附属设施施工后的索力调整实施时，一次张拉合格率为97%，索力偏差符合国家相关规范要求，有效缩短了吊杆施工工期，降低了施工中的机械设备租赁费用。

4 结语

本工程施工技术适用于拱桥吊杆安装监测作业，可应用于张弦梁、索塔、预应力施加等结构领域中，应用市场广泛；该施工工艺通过工程应用实践，施工过程始终处于受控状态，吊杆索力和桥梁的线形均满足设计要求，安全可靠性高，经济实用性强，切实解决了大跨度吊杆安装、张拉、应力监测等难题，对于类似的工程具有较强的参考价值[6,7]。