中鐵六局集團建筑安裝工程有限公司 太原 030045
太北跨北同蒲鐵路特大橋梁拱組合橋(圖1)連續(xù)梁跨度組成為(73.9+148+128+148+73.9)m,其中三聯(lián)跨鋼管混凝土拱兩側(cè)次邊跨計算跨度148.0 m,設(shè)計矢高29.6 m,矢跨比1∶5,拱軸線采用二次拋物線;中跨計算跨度128.0 m,設(shè)計矢高25.6 m,矢跨比1∶5,拱軸線采用二次拋物線。全橋共有6榀鋼管混凝土拱,拱肋采用等高度啞鈴形截面,拱肋截面高度為3.0 m,拱肋弦管采用φ1.0 m×16 mm鋼管,弦管之間用厚16 mm的綴板連接,2榀拱肋橫向中心距14.0 m;每榀拱肋設(shè)置17根吊桿,次邊跨的吊桿間距為7.4 m,中跨的吊桿間距為6.4 m,吊桿采用PES(DF)7-91型低應(yīng)力防腐拉索(平行鋼絲束),外套復(fù)合不銹鋼管,配套使用LZM7-91型冷鑄墩頭錨;吊桿采用單端張拉,上端置于拱肋內(nèi)部,下端錨于吊點橫梁,吊桿張拉端設(shè)在梁底。全橋采用先梁后拱施工方法,即:下部結(jié)構(gòu)施工→梁體混凝土澆筑→鋼管拱拱肋制作及安裝→鋼管混凝土澆筑→吊桿安裝及張拉→橋面系施工→吊桿索力調(diào)整。吊桿的張拉施工為其關(guān)鍵工序,如何確保吊桿索力滿足設(shè)計及規(guī)范要求尤為重要,其不但影響到整橋的線形控制,也直接影響到施工工期及施工成本[1,2]。
圖1 鋼管混凝土拱橋
吊桿根據(jù)現(xiàn)場實測長度在工廠內(nèi)制作成成品索,利用橋位上的汽車吊安裝吊桿,上端冷鑄錨頭穿過上錨箱球型支座卡緊后,使用螺母鎖緊,下端穿過下錨箱索道管后,利用專用的張拉設(shè)備進行對稱張拉,多次張拉后達到設(shè)計值。施工工藝流程如下:施工準(zhǔn)備→吊桿安裝→安裝吊桿固定端的墊圈、螺母→安裝吊桿張拉端的墊圈、螺母→調(diào)試張拉設(shè)備、檢查→安裝張拉設(shè)備、電源及油路→吊桿分級張拉→吊桿對稱張拉到位、擰緊螺母→吊桿固定端、張拉端防護處理。
1)通過全站儀、鋼尺對吊桿長度進行測量,確保測量長度和安裝現(xiàn)場實際長度保持一致。
2)對現(xiàn)場安裝吊桿的機械設(shè)備進行進場檢查,設(shè)備及操作人員的相關(guān)證照必須齊全。
3)對進場的吊桿進行驗收,確保吊桿外部PE護套無損壞,錨具絲扣無損傷,吊桿的加工長度與技術(shù)部門提供的長度一致,標(biāo)識標(biāo)記齊全無誤。
2.3.1 展索
本項目在橋面上進行展索作業(yè),將索架平放,利用汽車吊牽引以完成放索,為便于放索,將索架設(shè)計成圓盤結(jié)構(gòu),由上下底盤構(gòu)成,之間設(shè)軸承和滾珠。
2.3.2 吊桿連接結(jié)構(gòu)
吊桿提升牽引采用汽車吊,吊桿非張拉端錨具內(nèi)有細(xì)扣,拆除端部蓋后,汽車吊掛鉤、鋼絲繩與吊桿間用特制連接頭(專用補心卸扣)連接(圖2),索體外的保護材料不拆除,以保證吊桿在提升及穿索過程中不受到破壞。
圖2 特制連接頭示意
2.3.3 吊桿安裝
此階段作業(yè)內(nèi)容涉及的區(qū)域廣,安全系數(shù)較大,作業(yè)時須掌握以下要點:
1)需根據(jù)張拉端錨杯質(zhì)量在其所處直徑的另一端加配相同質(zhì)量鐵塊以平衡力矩,使得索盤能勻速轉(zhuǎn)動。
2)在橋面上進行展索及安裝過程中,可設(shè)置相應(yīng)的柔軟物件,防止對索體造成破壞。
3)吊桿安裝從上錨箱下穿至下錨箱,固定端就位后進行緊固,張拉段錨具穿過下錨箱后進行臨時固定,待張拉完成后進行固結(jié)。
4)各作業(yè)點實施人員須統(tǒng)一步調(diào),遇到緊急情況及時作出正確的反應(yīng)。
5)起重設(shè)備應(yīng)符合行業(yè)規(guī)范,應(yīng)具有充足的安全系數(shù),防止墜物或傾覆。
本橋吊桿張拉端在連續(xù)梁翼緣下橫梁處,為梁下張拉,張拉時從橋面處設(shè)置吊籃(固定于擋砟墻鋼筋上),人和張拉設(shè)備(張拉撐腳、穿心千斤頂?shù)龋┓旁诘趸@內(nèi)進行張拉作業(yè)。
2.4.1 張拉順序
根據(jù)設(shè)計要求,吊桿張拉順序為先次邊跨后中跨,每跨張拉時按照吊桿編號順序進行。
吊桿完成第1次張拉后,張拉系梁第2批縱向預(yù)應(yīng)力束,橋面二期荷載施工完成后,最后一次調(diào)整系桿內(nèi)力至設(shè)計要求值。由于結(jié)構(gòu)實際的剛度較理論計算大,且拉索承載力較大,在施加二期恒載時吊桿力增量一般小于理論值,故可適當(dāng)加大索力(本項目每根索加大30 kN)。
2.4.2 張拉施工
橋面荷載先通過梁體傳給吊桿,再傳遞給拱肋,最后傳到橋墩上。由于吊桿不同的施工加載順序會影響吊桿的受力均勻性,局部吊桿索力增大,彈性變形過大會造成梁體出現(xiàn)裂縫。故吊桿張拉時,采用4套張拉設(shè)備同時進行,根據(jù)設(shè)計提供的張拉力進行分段張拉,張拉時需監(jiān)控橋面、拱肋的變形情況,嚴(yán)格控制系桿的內(nèi)力和伸長量,應(yīng)力和伸長量的偏差不得超過規(guī)范設(shè)計要求,發(fā)生異常應(yīng)停止張拉;張拉設(shè)備在未張拉前空載活動2個行程,確保張拉過程中順利進行;當(dāng)達到設(shè)計、監(jiān)測要求后,穩(wěn)住油壓,旋緊錨圈,使錨圈與錨墊板充分結(jié)合,而后卸除油壓完成張拉作業(yè)[3-5]。
按照設(shè)計要求,在固定端內(nèi)部充填防腐油漆,安裝固定端防護鋼板;安裝張拉端的減振器、密封裝置、防護罩,在防護罩內(nèi)充填防腐油脂。
1)在吊桿的運輸和安裝過程中,注意保護吊桿的PE外防護層。吊桿在搬運和安裝過程中嚴(yán)禁在地面上拖動;桿在穿過預(yù)埋管時速度要慢,保證順利通過。
2)張拉時應(yīng)對稱張拉,必須按照設(shè)計要求進行逐一張拉。
3)張拉要嚴(yán)格按照要求進行操作,張拉過程中出現(xiàn)異?,F(xiàn)象時,應(yīng)停止施工,并及時報請現(xiàn)場監(jiān)理和設(shè)計,待查明原因后方可繼續(xù)施工。
4)張拉油泵設(shè)置在橋面上,油泵操作人員應(yīng)與混凝土底部張拉吊籃中的施工人員協(xié)調(diào)一致。
5)張拉操作必須平穩(wěn)、逐級、對稱進行,并做好張拉記錄。
吊桿是鋼管混凝土拱橋中最重要的承載構(gòu)件,是橋梁的“生命線”,它的安全性、耐久性決定著橋梁主體的承載能力和結(jié)構(gòu)安全。
吊桿的受力狀態(tài)是橋梁安全與正常使用的重要指標(biāo),監(jiān)測吊桿的索力對于及時反映它們的工作狀態(tài)和調(diào)整其結(jié)構(gòu)內(nèi)力是極為重要的。應(yīng)力松弛、主梁混凝土的收縮徐變、拱肋變形、氣候的變化等許多因素,都會對整個橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。
在施工和成橋后的正常使用過程中,存在各種誤差和偶然因素的聯(lián)合作用,使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形偏離正常狀態(tài),需要掌握關(guān)鍵的索力信息進行監(jiān)控和調(diào)整,以保證橋梁安全。
因此及時監(jiān)測吊桿的受力狀態(tài)是橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。通過索力測量,可以作為橋梁施工監(jiān)控、成橋試驗的重要依據(jù),吊桿的荷載響應(yīng)情況和歷史變化趨勢曲線可作為分析吊桿是否處于正常運營狀態(tài)及橋梁主體結(jié)構(gòu)是否安全的一個重要依據(jù)。
按照設(shè)計要求,需要在吊桿上安裝檢測裝置,通過技術(shù)對比,選擇了磁通量傳感器技術(shù)為吊桿索力進行長期監(jiān)測,它能夠滿足吊桿索力長期監(jiān)測的技術(shù)要求,一是傳感器的長期精度;二是傳感器的使用壽命。磁通量傳感器與其他壓力傳感器技術(shù)相比,較好地解決了以下問題:通過非接觸式測量解決傳感器受力疲勞問題;用模擬標(biāo)定來實現(xiàn)運營過程中的數(shù)據(jù)校準(zhǔn);更換損壞的傳感器時,采用哈弗式設(shè)計直接在已受力的拉索上制作及安裝,在不影響橋梁運營的前提下實現(xiàn)替代。
3.2.1 磁通量傳感器技術(shù)
磁通量傳感器基于拉索的磁彈效應(yīng)工作,當(dāng)拉索受到荷載作用時,內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化,引起拉索內(nèi)部的磁場發(fā)生變化,故可通過測量拉索的磁導(dǎo)率變化來得到相應(yīng)的索力。
磁通量傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由初級線圈和次級線圈構(gòu)成,內(nèi)置溫度傳感器用于溫度補償。磁通量測試系統(tǒng)如圖4所示,主要由傳感器和磁彈儀組成,便攜式磁彈儀自身帶有操作平臺及LCD顯示器,能實現(xiàn)多通道測量,可直接操作讀數(shù),也可通過儀器上的通信接口與計算機系統(tǒng)相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控。
圖3 磁通量傳感器結(jié)構(gòu)示意
圖4 監(jiān)測系統(tǒng)組成示意
3.2.2 磁通量傳感器的技術(shù)特點
1)非接觸性測量,不損傷結(jié)構(gòu);
2)傳感器維護方便、使用壽命長;
3)測量精度高、重復(fù)性好;
4)可實現(xiàn)自動溫度補償,可組建在線監(jiān)測系統(tǒng)。
根據(jù)本工程大跨度連續(xù)梁三聯(lián)跨鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)特點,考慮吊桿索力監(jiān)測實現(xiàn)方式在本工程實際中的適用性、可行性、經(jīng)濟性,最終實施以下索力監(jiān)測方案:
1)全橋102根吊桿全部安裝磁通量傳感器,索體規(guī)格為PES(DF)7-91,適配傳感器型號為CCT100,數(shù)量102臺。
2)每跨拱肋下設(shè)置1個數(shù)據(jù)采集站,集成該跨拱肋吊桿上的傳感器信號,跨全橋共設(shè)置3個多通道數(shù)據(jù)采集站。
3)傳感器與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站用數(shù)據(jù)線連接,數(shù)據(jù)線用線槽進行布線及保護。傳感器安裝在吊桿的張拉端。
4)全橋配套磁彈儀1臺,用人工方式使用筆記本電腦逐個與數(shù)據(jù)采集站接駁進行索力數(shù)據(jù)采集。
在太北跨北同蒲鐵路特大橋連續(xù)梁三聯(lián)跨鋼管混凝土拱橋施工中,通過磁通量傳感器進行索力監(jiān)測,有效收集索力數(shù)據(jù),經(jīng)分析、驗算,在連續(xù)梁梁面附屬設(shè)施施工后的索力調(diào)整實施時,一次張拉合格率為97%,索力偏差符合國家相關(guān)規(guī)范要求,有效縮短了吊桿施工工期,降低了施工中的機械設(shè)備租賃費用。
本工程施工技術(shù)適用于拱橋吊桿安裝監(jiān)測作業(yè),可應(yīng)用于張弦梁、索塔、預(yù)應(yīng)力施加等結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中,應(yīng)用市場廣泛;該施工工藝通過工程應(yīng)用實踐,施工過程始終處于受控狀態(tài),吊桿索力和橋梁的線形均滿足設(shè)計要求,安全可靠性高,經(jīng)濟實用性強,切實解決了大跨度吊桿安裝、張拉、應(yīng)力監(jiān)測等難題,對于類似的工程具有較強的參考價值[6,7]。