辅助吊杆加固三拱肋钢管混凝土系杆拱施工监控研究
2015-12-17冯睿为滕凌刘一鸣汪新凯
冯睿为，滕凌，刘一鸣，汪新凯
(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)
辅助吊杆加固三拱肋钢管混凝土系杆拱施工监控研究
冯睿为，滕凌，刘一鸣，汪新凯
(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)
受损三拱肋中承式钢管混凝土系杆拱桥在加固过程中采用辅助吊杆内力和桥面变形双控制原则，对辅助吊杆增设过程进行施工监控。根据实测值修正有限元计算模型，确保结构在各种工况下以及成桥后，内力和变形均处于合理状态，满足规范要求。研究结果表明:完成全部辅助吊杆张拉后，桥面各测点实测累计变形控制在允许范围内，最大未超过6 mm;吊杆内力实测值和理论计算值较吻合，差值绝大多数在-10～30 kN，加固完成后吊杆内力和桥面线形均达到了设计目标。
施工监控 钢管混凝土系杆拱桥 辅助吊杆 桥面变形 吊杆内力 维修加固
1 工程概述
中承式钢管混凝土系杆拱桥，桥跨布置为1孔净跨72 m，桥面总宽度24.5 m，横向布置:2×8.0 m(行车道)+2×3.0 m(人行道)+2.5 m(中间分隔带)，设计荷载等级:汽车—20级，挂车—100，人群荷载3.5 kN/m2。拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5。全桥共有3片拱肋，每片拱肋为哑铃形截面，2φ700 mm钢管通过腹板相连，截面等高1.8 m，相邻两片拱肋中心距9.0 m，拱肋灌注C40混凝土。每片拱肋与桥面通过15根吊杆相连，吊杆采用强度650级的合金钢，间距4 m。全桥桥面连续，两端接后座式组合桥台，在桥台处设置伸缩缝。
在现场检测过程中，发现吊杆出现的病害较多，如:吊杆上锚头密封失效、中吊杆下锚头浸水锈蚀严重、防护钢管内钢绞线锈蚀严重等，拟对吊杆进行维修加固。
2 维修加固方案
考虑到既有拱肋吊杆上、下锚点密封，不能有效进行检测，若更换吊杆，则需破坏既有钢管和横梁，影响结构安全。故本次加固工程分别在每一个既有吊杆两侧新增两根辅助吊杆:上端采用焊接钢板作为上锚点，下端通过钢托梁连为一体，并将密封失效的上锚头重新进行防腐处理，新增辅助吊杆安装张拉完毕后与原吊杆共同承受横梁及桥面的恒载、活载。具体增设辅助吊杆的方案如下:
1)测定每根吊杆的内力，作为新吊杆安装应力的参考值;设置固定的观测点，测定桥面各点标高，作为施工中桥面变形控制基准;测量每根吊杆的长度，以便加工制作新吊杆。
2)搭设拱肋支架和桥下底面吊架，通过吊车将钢托梁运至相应位置并安装就位，焊接上锚点。
3)通过起吊设备的牵引绳将钢拉杆与钢绞线连接，通过套筒将钢托梁与钢拉杆连接。
4)根据桥面线形，对称同步张拉同组吊杆，并旋紧调节套筒，逐步将原吊杆上的部分荷载分级转移至新吊杆上，使原吊杆和新吊杆共同承受荷载;观测桥面变形情况，确定是否需要调整桥面标高。
5)在钢套管及锚头内灌入防腐材料。
6)重复以上步骤，安装下一组吊杆。
对该桥辅助吊杆增设过程进行施工监控。
3 施工监控
3.1 施工监控的原则
以增设辅助吊杆的内力和桥面变形作为控制标准，以变形控制为主，严格控制变形测点的位移;监测辅助吊杆内力的变化情况，保证全桥控制截面内力在安全范围内，确保成桥线形和设计线形一致。若在施工中发现全桥内力接近或超出安全控制指标或桥面线形误差偏大，则应暂停施工，查明原因并予以纠正，使结构的变形和内力均满足要求。
3.2 施工监控的流程
根据施工阶段状态变量(控制点位移、控制截面内力)的实测值与相应理论值的差值对影响参数进行误差识别;根据已施工部分的影响参数识别结果，对未施工部分的相应参数进行误差预测;计算影响参数的误差对成桥状态的影响。通过对比理论计算结果与实际监控采集的数据，对影响计算结果的若干参数进行识别调整，使得理论计算值与实测值之差控制在一定范围内，满足规范中对内力与变形的要求。
3.3 监控和计算
根据施工过程中，各阶段结构内力、变形的实测值和各项影响参数，通过Midas/Civil 2012建立全桥有限元模型，见图1。计算在不同工况下结构的力学行为，分析计算值与实测值的差值，找出原因并提出改进措施，保证施工过程中，结构内力、位移变化与设计相符。
图1 全桥有限元模型
4 桥面变形监测
在辅助吊杆增设过程中，桥面线形必然受到影响。为了实时了解桥面线形的变化情况，确保施工安全，需对桥面变形情况进行监测。
4.1 测点布置
每对吊杆处桥面均布置变形测点，测点布置见图2。横向布置原则:不易被破坏、不与施工冲突、易测量。
图2 桥面变形测点布置(单位:cm)
4.2 监测方法
拆除原桥面铺装前，在河两岸用混凝土现浇4个监控测站及后视点。测站建立后，根据两个测量基点坐标确定变形监控测站坐标，建立测量控制网，从而对桥面变形进行监测。
4.3 桥面变形监测结果分析
整个施工过程共监测了3个工况下桥面的变形情况，分别为张拉完2#辅助吊杆、张拉完5#辅助吊杆和张拉完全部辅助吊杆。以第3个工况为例，桥面各测点实测累计变形见图3(图中S表示上游侧)。由图3可知:完成全部辅助吊杆张拉及调整后，桥面各测点实测累计变形控制在允许范围内，最大未超过6 mm，成桥后桥面线形符合设计要求。
图3 桥面各测点实测累计变形
5 辅助吊杆内力监测
在张拉各辅助吊杆阶段，辅助吊杆与原吊杆的内力将发生较大的变化，应对辅助吊杆和原吊杆内力进行测试，若出现异常情况需及时处理。
5.1 测点布置
全桥共监测45根辅助吊杆。每根吊杆布置2个测点，其中1个为应变测点，另1个为温度补偿点。辅助吊杆编号原则:L，R分别表示岸侧辅助吊杆及中跨侧辅助吊杆，S，Z，X分别表示上游侧、中侧、下游侧辅助吊杆，辅助吊杆内力测点布置见图4。
5.2 监测方法
利用频谱法计算辅助吊杆内力。已知辅助吊杆长度、两端约束情况、分布质量等参数，将高灵敏度的拾振器绑在辅助吊杆上，拾取辅助吊杆在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、信号放大、A/D转换和频谱分析，即可测出其自振频率。将各项参数代入下式可得辅助吊杆内力。
式中:T为辅助吊杆内力，N;W为单位杆长的质量，kg/m;L为辅助吊杆的计算长度，m;fn为辅助吊杆的第n阶自振频率，Hz;g为重力加速度;F为辅助吊杆的自振基频，Hz。
5.3 桥面内力监测结果分析
对全桥辅助吊杆进行了内力监测，监测的工况分别为张拉完2#辅助吊杆、张拉完5#辅助吊杆和张拉完全部辅助吊杆。以第3个工况中西山左侧测点为例，对比辅助吊杆内力实测值和理论值，见表1。
图4 辅助吊杆内力测点布置
表1 全部辅助吊杆张拉完成后内力对比kN
由表1可知:吊杆内力实测值和理论值较吻合，差值绝大多数在-10～30 kN。由于受现场施工条件限制，对个别实测内力偏大的吊杆无法进行调整，但不影响结构安全。
6 结论
1)通过现场监测和监控等手段，建立了全桥有限元模型，对加固过程中结构内力和变形进行了有效地监测、分析、计算和预测。施工过程中，辅助吊杆内力得到了良好的控制，桥面变形在安全范围内;施工完成后，桥跨结构的内力和线形均达到了设计要求。
2)完成全部辅助吊杆张拉后，桥面各测点实测累计变形控制在允许范围内，最大未超过6 mm;吊杆内力实测值和理论值较吻合，差值绝大多数在-10～30 kN。
由于受现场施工条件限制，对个别实测内力偏大的吊杆无法进行调整，但不影响结构安全。
3)辅助吊杆极大地分担了主吊杆承受的拱脚水平推力，增加了桥梁在使用过程中的安全储备。
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(责任审编郑冰)
U448.22+5
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.03
1003-1995(2015)12-0012-03
2015-09-17;
2015-10-20
冯睿为(1990—)，男，硕士研究生。
