年福龍

（上海城投航道建設(shè)有限公司，上海市 2 00092）

系桿拱橋吊桿張拉調(diào)索方法的比選及實(shí)施

年福龍

（上海城投航道建設(shè)有限公司，上海市 2 00092）

以上海大蘆線二期航道整治橋梁工程的湖北橋系桿拱橋?yàn)槔?，?duì)施工監(jiān)控過程的吊桿張拉調(diào)索方法-基于影響矩陣法的分批張拉調(diào)索法與計(jì)算機(jī)控制的同步智能張拉調(diào)索法進(jìn)行比選。采用傳統(tǒng)的吊桿分批張拉調(diào)索法，吊桿張拉力的計(jì)算量大，吊桿力誤差積累需要多次調(diào)整；而同步智能張拉調(diào)索法的吊桿力調(diào)整方便、控制精確，且張拉速度快。湖北碼頭橋的工程實(shí)踐證明，同步智能張拉調(diào)索法的優(yōu)勢(shì)明確，值得類似工程的借鑒。

系桿拱橋；施工監(jiān)控；吊桿力調(diào)整；影響矩陣法；同步智能張拉調(diào)索法

1 工程概況

湖北碼頭橋位于大治河西段，是上海市大蘆線航道整治二期工程跨航道橋梁工程中的一座橋梁。湖北碼頭橋南岸為規(guī)劃浦江港區(qū)，橋位處航道遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)面寬117 m，通航凈寬105.5 m、凈高7.0 m。主橋采用下承式系桿拱橋，主跨跨徑123 m，主橋長(zhǎng)125.4 m、寬12.4 m。湖北碼頭橋主橋立面布置見圖1。

主橋拱肋系統(tǒng)由拱肋、風(fēng)撐等構(gòu)件組成；主拱豎直，立面矢高24.6 m，矢跨比f/L=1/5；兩側(cè)拱肋間設(shè)6道風(fēng)撐。拱橋橋面系主梁為變截面鋼-混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)；跨中全高2.5 m，支點(diǎn)處全高3.5 m；結(jié)合梁是主縱梁、中橫梁、端橫梁、小縱梁、挑臂組成的雙主梁梁格體系。吊桿順橋向間距8 m，每個(gè)吊點(diǎn)為單吊桿；全橋總共28根吊桿，中間吊桿采用12股Φs15.2環(huán)氧鋼絞線，端吊桿采用19股Φs15.2環(huán)氧鋼絞線。平衡拱肋推力的水平系桿索采用環(huán)氧鋼絞線，主梁每側(cè)主縱梁箱內(nèi)各布置4根水平系桿，每根系桿由12股Φs15.2鋼絞線組成。

主橋鋼結(jié)構(gòu)在工廠分段制作后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，吊裝到橋位臨時(shí)支架進(jìn)行拼裝，采用先梁后拱的施工方法。

在主橋的施工過程中，有效的施工監(jiān)控工作非常重要，其中吊桿力的多次張拉調(diào)整與精度控制尤為關(guān)鍵；所以，必須對(duì)吊桿的張拉調(diào)索方法進(jìn)行科學(xué)的比選，以確定最終實(shí)施的吊桿張拉調(diào)索方法。

2 系桿拱吊桿的張拉調(diào)索及方法比選

一般，系桿拱橋的吊桿分兩次張拉調(diào)索，第一次張拉是在吊桿安裝后，主梁支架還未拆除之前，該階段的力學(xué)狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系為非線性的（狀態(tài)非線性）。但是，考慮到吊桿在后續(xù)階段還需繼續(xù)張拉，因此通常情況下，假設(shè)一個(gè)張拉順序按照設(shè)計(jì)張拉力輸入到計(jì)算模型進(jìn)行初步計(jì)算，主要考察吊桿張拉力和張拉順序是否會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響、應(yīng)力是否在可控范圍內(nèi)；然后，再把試算后得到的吊桿力與張拉力的差值加到張拉力中再次進(jìn)行試算；第一次張拉調(diào)索一般只試算兩次。

吊桿第二次張拉調(diào)索，主梁支架已拆除，結(jié)構(gòu)體系基本形成后，后續(xù)結(jié)構(gòu)逐步施加階段，此后結(jié)構(gòu)的力學(xué)體系不會(huì)發(fā)生大的變化，而且結(jié)構(gòu)處于線性狀態(tài)。作為成橋前最后的張拉力調(diào)整，就要求吊桿的實(shí)際索力與目標(biāo)索力值基本一致。結(jié)構(gòu)落架以后，采用千斤頂與索力測(cè)試儀對(duì)吊桿進(jìn)行索力張拉調(diào)整時(shí)，影響矩陣法得到了廣泛的應(yīng)用；并且，隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，進(jìn)行了有效的改進(jìn)[2,3]。具體實(shí)施時(shí)，首先測(cè)定成橋后各吊桿的實(shí)際索力，記作[T0]，同時(shí)與設(shè)計(jì)所要求的索力[T]進(jìn)行比較，得出各根吊桿所需的索力調(diào)整值[ΔT]，并根據(jù)以下計(jì)算公式可求出吊桿的張拉調(diào)整力：

式中：[A]為吊桿張拉力影響矩陣；[Ta]為吊桿的張拉調(diào)整力。求解方程（2）可得出需要調(diào)整的吊桿張拉力[Ta]。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

從影響矩陣法調(diào)整張拉力的計(jì)算公式可以看出，雖然結(jié)構(gòu)確定，影響矩陣[A]也確定，但實(shí)際吊桿張拉力調(diào)整施工中是分階段進(jìn)行的，也就是說[ΔT]在每個(gè)階段是不同的。式（1）和式（2）相當(dāng)于按照調(diào)整力將吊桿一次調(diào)整到位，但這在施工中無法做到，實(shí)際施工時(shí)一般是一次調(diào)整一對(duì)或幾對(duì)，分次完成。

對(duì)于湖北碼頭橋來說，采用影響矩陣法進(jìn)行吊桿張拉調(diào)索，施工時(shí)每次最多只能四根對(duì)稱吊桿一起張拉，全橋28根吊桿需要多次張拉，施工過程中人為張拉誤差等積累較多，根據(jù)實(shí)際索力測(cè)試結(jié)果可能需要多次調(diào)索計(jì)算，計(jì)算工作量非常大，且施工工期較長(zhǎng)，施工過程需要來回拆裝千斤頂，安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。

近年來，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用越來越多，例如橋梁的同步頂升、同步頂推的工程實(shí)例也越來越多，同步張拉在系桿拱橋換索中的應(yīng)用也有文獻(xiàn)介紹。系桿拱橋吊桿的計(jì)算機(jī)控制同步張拉調(diào)索技術(shù)在工程中應(yīng)用雖然不多，但其原理和同步頂升、同步頂推技術(shù)有共性，一般都是利用傳感器通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)千斤頂油壓及其行程的控制，達(dá)到多個(gè)千斤頂按設(shè)定的目標(biāo)值共同工作的目的。當(dāng)然，在操作過程中，根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)行人工干預(yù)操作。

根據(jù)吊桿張拉單位的一些類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，湖北碼頭橋吊桿張拉若采用計(jì)算機(jī)控制的智能同步張拉調(diào)索技術(shù)，將有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）全橋28根吊桿可以同時(shí)進(jìn)行張拉調(diào)索，張拉速度快，施工天數(shù)可以縮小，且施工安全風(fēng)險(xiǎn)相比傳統(tǒng)的吊桿張拉調(diào)索工藝大大降低；

（2）無需進(jìn)行大量的吊桿張拉調(diào)整力的計(jì)算，直接以施工階段設(shè)計(jì)張拉力為目標(biāo)，張拉力控制準(zhǔn)確，張拉過程中各吊桿力誤差較?。?/p>

（3）張拉千斤頂壓力傳感器與伸長(zhǎng)量傳感器配合，張拉過程中張拉力與伸長(zhǎng)量顯示均比較直觀，張拉過程智能化及可視化程度高，操作及控制方便；

（4）對(duì)主橋橋面標(biāo)高的調(diào)整響應(yīng)速度較快，以吊桿力調(diào)整標(biāo)高較為方便；

（5）對(duì)張拉過程中出現(xiàn)的一些突變情況響應(yīng)速度快；例如，張拉前后的溫度突變，如果不采用智能同步張拉調(diào)索，則調(diào)整不能及時(shí)反應(yīng)，傳統(tǒng)的張拉調(diào)索方式只能增加調(diào)整的次數(shù)，延長(zhǎng)施工時(shí)間。

綜合上述，吊桿張拉調(diào)索方法的比較見表1。

表1 吊桿張拉調(diào)索方法的比較

雖然吊桿智能同步張拉調(diào)索技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，在類似工程中的應(yīng)用實(shí)例較少，但相比傳統(tǒng)的吊桿張拉調(diào)索技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)非常明顯；所以，湖北碼頭橋系桿拱橋吊桿的張拉調(diào)索采用了智能同步張拉調(diào)索技術(shù)，這也響應(yīng)了在橋梁建設(shè)中應(yīng)用與推廣新技術(shù)、新工藝的創(chuàng)新要求。

3 主橋吊桿的張拉調(diào)索實(shí)施過程

湖北碼頭橋主橋吊桿張拉調(diào)索采用全橋吊桿智能同步張拉調(diào)索技術(shù)，其吊桿張拉調(diào)索分兩次實(shí)施，即第一次的初張拉與第二次的終張拉。

3.1 吊桿第一次張拉調(diào)索

吊桿第一次張拉調(diào)索的工況為主橋鋼結(jié)構(gòu)焊接安裝完成，主梁支架未拆，拱肋支架已經(jīng)脫架，吊桿安裝完成時(shí)。

主橋吊桿于2016年3月8日進(jìn)行第一次張拉調(diào)索，張拉時(shí)天氣陰有小雨，氣溫11度。第一次張拉每根吊桿的理論值均為160 kN。張拉平均分四級(jí)進(jìn)行加載，每次加載到位持荷20 min。張拉開始于早上9：30，從開始張拉到張拉到理論值用時(shí)約2 h；張拉到理論值之后，對(duì)橋面標(biāo)高進(jìn)行了測(cè)量，根據(jù)標(biāo)高測(cè)量結(jié)果分析，因標(biāo)高調(diào)整及減少錨頭回縮影響的需要對(duì)部分吊桿進(jìn)行了超張拉，張拉最大值不超過195 kN。張拉完成后，對(duì)每根吊桿的螺母進(jìn)行旋緊。旋緊后，千斤頂回油，施工監(jiān)控對(duì)張拉后的標(biāo)高及吊桿力進(jìn)行了測(cè)試，整個(gè)張拉過程沒有出現(xiàn)異常情況。主橋吊桿第一次張拉照片見圖2。

3.2 吊桿第二次張拉調(diào)索

圖2 湖北碼頭橋主橋吊桿第一次張拉照片

吊桿第二次張拉調(diào)索工況為主梁支架拆除，橋面混凝土橋面板鋪裝完成，濕接縫強(qiáng)度達(dá)到要求，水平系桿張拉后。

主橋吊桿第二次張拉調(diào)索開始于2016年5月4日下午3：00，張拉平均分四級(jí)進(jìn)行加載，每次加載到位持荷20 min，下午6：00張拉到理論值。之后對(duì)橋面標(biāo)高進(jìn)行了測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)部分吊桿力進(jìn)行了調(diào)整，此次張拉主要以標(biāo)高控制為主，吊桿力控制為輔。因當(dāng)天張拉到位后沒有進(jìn)行及時(shí)錨固，第二天氣溫突變，張拉力與橋面標(biāo)高的目標(biāo)值受影響，施工監(jiān)控重新對(duì)計(jì)算模型中的溫度參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)最終張拉力目標(biāo)值也進(jìn)行了調(diào)整，最終把吊桿力與橋面標(biāo)高控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

4 主橋的主要監(jiān)控結(jié)果

湖北碼頭橋主橋的吊桿張拉調(diào)索采用計(jì)算機(jī)控制的智能同步張拉調(diào)索技術(shù)，主橋施工監(jiān)控過程獲得的一些主要結(jié)果與相應(yīng)理論值的比較如下所述：

4.1 主橋結(jié)構(gòu)考慮施工過程的總體分析模型

任何橋梁的施工監(jiān)控均以橋梁結(jié)構(gòu)理論分析得到的結(jié)果作為依據(jù)。一般，施工監(jiān)控的結(jié)構(gòu)分析以總體分析為基礎(chǔ)，但在分析模型中必須正確模擬擬定的每一個(gè)或關(guān)鍵的施工步驟，以便正確得到實(shí)橋的理論分析結(jié)果。

湖北碼頭橋主橋采用少支架的施工方案，施工監(jiān)控的結(jié)構(gòu)模型就考慮了支架的模擬。主橋結(jié)構(gòu)施工過程的分析模型采用大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件Midas建立，結(jié)構(gòu)模型見圖3。

圖3 主橋結(jié)構(gòu)施工過程的總體分析模型

在圖3的結(jié)構(gòu)模型中，總共劃分大約1 800個(gè)左右的單元，其中，吊桿采用桁架單元，橋面板采用板單元，其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧?/p>

在具體的計(jì)算分析過程中，根據(jù)施工步驟，利用Midas的單元激活與鈍化功能模擬各個(gè)施工過程，并施加各個(gè)施工階段的施工荷載；模型總共劃分了11個(gè)施工階段。

4.2 一些主要的監(jiān)控結(jié)果

由于文章篇幅所限，這里以吊桿第二次張拉調(diào)索得到的主橋監(jiān)控結(jié)果為例，將監(jiān)控得到的實(shí)測(cè)結(jié)果與相應(yīng)的理論值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證湖北碼頭橋主橋吊桿采用計(jì)算機(jī)控制的智能同步張拉調(diào)索技術(shù)的有效性。

吊桿第二次張拉調(diào)索后，主橋各根吊桿的實(shí)測(cè)值與理論值的比較見表2；主橋橋面實(shí)測(cè)值與理論值的比較見表3。

表2 吊桿第二次張拉調(diào)索后的吊桿力 kN

表3 吊桿第二次張拉調(diào)索后的橋面標(biāo)高 m

表2、表3中，吊桿的編號(hào)從小里程到大里程依次編號(hào)；表中理論值由4.1節(jié)所述的結(jié)構(gòu)總體分析模型計(jì)算得到；表2中，1號(hào)、14號(hào)吊桿為全橋最短吊桿，采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測(cè)試吊桿，受長(zhǎng)度的限制，振動(dòng)不明顯，吊桿力無法測(cè)出。

由表2中的數(shù)據(jù)可以得到，與理論計(jì)算得到的目標(biāo)索力相比，近跨中吊桿力誤差基本控制在6%以內(nèi)，部分短吊桿因橋面標(biāo)高調(diào)整的需要，對(duì)吊桿力進(jìn)行了微調(diào)，最大差值9.5%，出現(xiàn)在西側(cè)第二根吊桿。由表3中的數(shù)據(jù)可得，吊桿第二次張拉調(diào)索后，橋面標(biāo)高與理論值相比，最大差值為0.023 m，出現(xiàn)在西側(cè)第4號(hào)吊桿位置，其余各點(diǎn)差值均小于該值。

綜上所述，主橋吊桿第二次張拉調(diào)索結(jié)束后，橋面板澆筑面標(biāo)高誤差控制在23 mm以下，吊桿力誤差控制在10%以內(nèi)，達(dá)到了施工監(jiān)控精度控制的要求。

5 結(jié)語

目前，湖北碼頭橋主橋已經(jīng)建成，成橋后的主橋照片見圖4。

圖4 建成后的湖北碼頭橋主橋照片

相比傳統(tǒng)的吊桿張拉調(diào)索方法，基于計(jì)算機(jī)控制的全橋智能同步張拉調(diào)索技術(shù)有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。湖北碼頭橋主橋施工監(jiān)控吊桿張拉調(diào)索采用這種新工藝、新技術(shù)取得了成功，主橋吊桿力與橋面標(biāo)高控制均達(dá)到了施工監(jiān)控精度控制的要求，也縮短了施工時(shí)間，降低了吊桿張拉施工過程的安全風(fēng)險(xiǎn)，取得了一定的綜合經(jīng)濟(jì)效益，并可為其它類似工程提供有價(jià)值的借鑒。

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U448.22+5

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1009-7716（2017）01-0103-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.030

2016-10-26

年福龍（1964-），男，安徽宿具人，高級(jí)工程師，從事工程項(xiàng)目管理工作。