拱桥吊杆更换施工控制关键技术研究

郭 俊，胡 宁，崔 鑫

（1.上海市建筑科学研究院有限公司，上海市 200032；2.上海沪杭路桥实业有限公司，上海市 201600）

0 引言

自20 世纪八九十年代起，我国兴建了大量中承式系杆拱桥。中承式系杆拱桥整体受力体系复杂，其中的吊杆既作为拱桥结构受力的重要传导构件，亦是极易受到外部环境侵害的部位[1]。在长期反复荷载作用下，吊杆极易发生疲劳性损坏；同时在外部环境作用下，吊杆还易因外部防护装置不当或破损使得腐蚀性介质进一步侵蚀到其体系内部，进而引起更严重的损伤。改革开放以来修建的大部分系杆拱桥的吊杆使用年限已逼近极限，而吊杆更换技术仍处于相对不成熟的探索阶段，加之国内各种新材料、新技术、新工艺的逐步推行，结构受力体系复杂的系杆拱桥层出不穷，因而亟需积累大量相关拱桥吊杆更换的技术经验或资料，以便形成一套完善的施工指导体系[2]。因此，对中承式拱桥的吊杆更换技术以及施工监控进行研究有着深远的现实意义。

1 工程背景

某飞鸟式中承式钢管混凝土系杆拱桥跨径为85.0 m，主拱圈矢跨比1/3.5，拱轴线形式为悬连线，拱轴系数为1.3，边跨标准跨径为25.15 m，拱轴线形式为圆曲线，半径R=39.854 m。主桥共设置2 根系杆和2 条纵肋，行车道横梁采用预应力混凝土结构，纵向间距按4.0 m 布置；横向T 梁截面尺寸：0.5 m（肋宽）×（1.5～1.67）m（梁高）。行车道板为钢筋混凝土结构，预制板厚18 cm，现浇板厚15 cm。

吊杆采用成品索，为PES（FD）5-121 热挤聚乙烯拉索，PESM 5-163 冷铸墩头锚固体系，拱肋端作张拉端，行车道横梁端作固定端。吊杆为平行垂直布置的平面索，吊杆全桥共16 对，标准索距为4 m。主桥纵、横断面图见图1、图2。

图1 拱桥纵断面图（单位：cm）

图2 拱桥横断面图（单位：cm）

该桥现场检测结果表明：吊杆索力测试值与设计值偏差较大；大部分吊杆上锚头护套均锈蚀，下锚头封锚处均渗水锈蚀且护套破损严重。依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H 21—2011），全桥技术状况评为4 类。现场吊杆主要病害见图3、图4。

图3 吊杆上锚头护套锈蚀

图4 吊杆下锚头封锚处渗水

基于检测结果，拟对主桥共计32 根吊杆（X1～X16、D1～D16）进行更换。按照从南至北进行编码，D 代表东侧吊杆，X 代表西侧吊杆，其中D1 代表东侧拱南侧方向第1 根吊杆，以此类推。换索顺序见图5。

图5 换索施工示意图

2 施工监控思路

2.1 施工工艺

主桥吊杆更换方案拟采用临时吊杆系统，该方案需在拱上和梁上设置钢横梁兜吊系统[3]。吊杆更换从最短的1#、16# 吊杆开始，成对由两端向中央对称更换，东西拱肋同编号吊杆依次交错施工；临时吊杆系统共计4 组，根据施工部位逐处移动使用。

吊杆更换施工过程主要分为2 个内力转换阶段：第1 阶段为临时吊杆张拉、旧吊杆卸载；第2 阶段为新吊杆张拉、临时吊杆卸载。

2.2 施工监控思路

为保证吊杆更换过程中主桥结构受力体系始终处于安全状态，更换完成后各项指标能够满足标准规范要求和设计要求，需全程对吊杆更换进行监控[4]。施工监控过程应针对误差进行有效修正，具体按：施工→量测→判断→修正→预告→施工进行循环。施工监控过程流程图见图6。

图6 施工监控过程流程图

3 施工控制关键技术研究

3.1 施工仿真分析

仿真计算分析是施工监控过程中的重要理论分析方法。仿真计算分析主要包括2 个步骤：

首先，对施工设计图纸进行计算复核。复核内容包含桥梁各部件结构几何尺寸、钢筋布置等；依据相关设计要求及标准规范要求，对成桥阶段及各施工阶段的设计变位、内力等进行复核计算，并与设计计算内容进行校核比较。

其次，对施工各个阶段进行跟踪计算。由于理论设计参数与实际参数必然存在差异，加之施工荷载、施工方法等不可能与理论结果保持一致，在按照设计单位和施工单位确定的施工工艺进行施工时，应实时收集施工各个阶段的数据参数，对施工过程进行反复计算；同时按照随机控制方法计算确定考虑预测反馈的控制作用，并采用实时向前分析方法计算确定计入各种影响的实际结构状态，对施工过程进行实时监控[5-6]。

施工过程仿真计算采用专业有限元软件Midas/Civil2020，图7 为空间有限元模型图。其中拱肋、横撑、纵横梁采用梁单元，吊杆采用只受拉单元，桥面板采用板单元。

图7 空间有限元模型图

3.2 位移影响矩阵计算

为了确定在吊杆更换过程中桥面标高变化与吊杆力变化之间的关系，拟通过有限元模型对位移影响矩阵进行计算。

假设在有限元模型中的吊杆上下吊点施加1 对单位力，通过分析计算得到吊杆处的桥面位移，则全桥位移矩阵为：

式中：n 代表一侧拱肋的吊杆数。

由上述位移影响矩阵能够求得任意荷载作用下任意位置处的标高变化。利用位移影响矩阵，可以明确吊杆更换过程中不同监控指标的敏感性。本桥的位移影响矩阵计算结果为：

3.3 施工控制指标确定

不同临时吊杆张拉情况下，吊杆处桥面位移见表1。

表1 不同张拉工况下吊杆处桥面位移变化表 单位：mm

由表1 可知，在纵梁、桥面铺装刚度的影响下，拱肋最外侧的3 根吊杆（D1～D3、D14～D16、X1～X3、X14～X16）的桥面标高变化在不同的张拉工况下均小于1.0 mm，这些吊杆的桥面标高变化对吊杆力的变化不敏感，因此这12 根吊杆施工监控的指导原则为“以吊杆力监控为主，兼顾位移监控”；其余吊杆的施工监控原则为“以位移监控为主，兼顾吊杆力，同时在力转化的最后一级进行细化”。

3.4 施工监测体系建立

施工监测体系主要包括结构线形监测、结构应力监测和吊杆力监测。

桥面和拱肋的线形观测是控制成桥线形最主要的依据。为保证局部逐级施工的安全性，更换每根吊杆时，必须对该吊杆及相邻2 根吊杆处的桥面高程和拱肋线形进行跟踪测量。

结构应力监测采用振弦式表面应变计以及自动化采集设备。应变传感器能够实现实时温度监测，在保证传感器得到温度补偿的同时，可提供施工期间的环境温度和梁体结构温度场数据。

吊杆力监测采用张拉吊杆时千斤顶油压法和环境随机振动法综合进行。利用油压表数值和频率法数值对吊杆计算长度进行修正，基于修正的吊杆计算长度可以提高后续频率法测量吊杆力的精度。

全桥施工监测体系的测点布置图见图8。

图8 全桥施工监测体系的测点布置图

4 施工控制结果与分析

4.1 吊杆更换过程中监测结果

在吊杆更换过程中，所有32 根吊杆的桥面标高变化量均在-3.0～1.0 mm 之间，变化量均在±5 mm以内，表明桥面标高得到了较好的控制。以X3 吊杆为例，更换过程中，对应桥面标高的变化趋势图见图9。

图9 X3 吊杆更换过程相对标高变化趋势

在吊杆更换过程中，主纵梁各测点的应变变化量大部分控制在-30～+20 μm/m 以内，东西侧拱肋各测点的应变变化量大部分控制在-70～+80 μm/m以内；加上桥梁恒载后，总应力小于结构的容许应力，说明在本次吊杆更换施工过程中东、西纵梁和拱肋的应力变化量符合标准规范要求。

更换吊杆X 10 时东、西纵梁跨中应变变化趋势图见图10；西侧拱肋跨中应变变化趋势图见图11。

图10 更换吊杆X10 时东、西纵梁跨中应变变化趋势图

图11 更换吊杆X10 时西侧拱肋跨中应变变化趋势图

4.2 吊杆更换后测量结果

吊杆更换完成后，对全桥桥面标高进行测量的结果表明，各测点的高程变化为-9～+4 mm，满足设计各吊杆桥面标高与更换前桥面标高差值不得大于10 mm 的要求。吊杆更换完成后拱肋各测点的高程变化为-1.7～+1.6 mm，表明整个更换过程对拱肋的影响较小，符合设计要求。

索力测试结果表明，西侧拱肋吊杆除去拱肋两侧短吊杆，其余吊杆力与设计吊杆力比值为0.95～1.15；东侧拱肋吊杆除去拱肋两侧短吊杆，其余吊杆力与设计吊杆力比值为0.96～1.19。吊杆更换的吊杆力满足设计要求。

5 结语

（1）本桥施工监控结果表明，吊杆更换后桥面线形、拱肋线形、吊杆力、主纵梁及拱肋应力应变的监测结果符合设计与规范要求。

（2）施工控制中应选取合适的结构有限元分析程序，对施工过程进行模拟和分析，为施工控制指标的选择奠定基础。

（3）中承式系杆拱桥施工监控应坚持贯彻以下原则：在满足桥面高程变化要求的前提下，对吊杆力、拱肋高程和应力进行多方面监测；针对不同的吊杆选择不同的控制指标。

（4）拱桥吊杆更换施工控制的指标体系可以利用位移影响矩阵进行计算和分析。

（5）吊杆力监测应同时采用千斤顶油压法和环境随机振动法进行，并利用油压表数值和频率法数值对吊杆计算长度进行修正。该吊杆计算长度也可为后续运维期吊杆力的测量提供参考。