侯安

摘要 更換吊桿施工是吊桿拱橋加固改造工程中關(guān)鍵工程，如何保障結(jié)構(gòu)施工安全和結(jié)構(gòu)線形美觀是整個更換吊桿工程的難點(diǎn)，文章以某工程吊桿更換施工過程為基礎(chǔ)，根據(jù)吊桿更換施工順序和工藝流程，采用midas Civil仿真分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度荷載效應(yīng)計(jì)算，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，證明了溫度荷載效應(yīng)是吊桿拱橋施工必須解決的問題，并給出了有效解決方案。同時，針對吊桿更換完成后的索力優(yōu)化問題，提出了解決辦法，使該橋更換吊桿施工順利完成，結(jié)構(gòu)線形美觀，受力合理。

關(guān)鍵詞 吊桿拱橋;更換吊桿;溫度荷載;索力優(yōu)化

中圖分類號 U448.225 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0142-03

0 引言

隨著橋梁設(shè)計(jì)和施工水平的不斷提升，我國建造出了各種類型的橋梁結(jié)構(gòu)。吊桿拱橋由于其結(jié)構(gòu)輕型美觀，得到了很多設(shè)計(jì)者的青睞。在使用過程中，吊桿拱橋通常會出現(xiàn)吊桿保護(hù)套管材料老化、吊桿鋼絲銹蝕，錨固區(qū)鋼絲出現(xiàn)疲勞破壞，損傷斷裂等病害，使吊桿索力降低，橋跨下?lián)希踔廖＜皹蛄航Y(jié)構(gòu)安全[1]。為了保障老舊橋梁結(jié)構(gòu)能夠安全運(yùn)營，使其在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮長遠(yuǎn)作用，橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)和施工要求比新橋建設(shè)更高。同時，老舊吊桿拱橋進(jìn)行吊桿更換施工時，往往因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，無法查找詳盡的設(shè)計(jì)圖紙，甚至對材料尺寸、規(guī)格都出現(xiàn)明顯偏差。吊桿拱橋更換吊桿施工的復(fù)雜性，要求工作者必須嚴(yán)格做好施工控制。在施工控制中，通過及時量測和采集各項(xiàng)參數(shù)，與仿真計(jì)算結(jié)果對比分析，適時糾偏，調(diào)整施工工藝，使施工技術(shù)安全可行，橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，線形美觀，行車舒適。

該文以某吊桿拱橋更換吊桿施工為基礎(chǔ)，采用主梁線形控制為主，拱肋控制截面應(yīng)變控制為輔的雙控機(jī)制[2]，順利完成了該橋的更換吊桿施工。

1 工程概況

東莞市某吊桿拱橋跨徑布置為45 m+80 m+45 m，于1994年建成通車。上部結(jié)構(gòu)主孔采用中承式吊桿拱，邊孔為雙肋式上承拱，主拱圈矢跨比為1/3;邊拱圈矢跨比為1/6，拱軸系數(shù) m=1.347。主孔拱肋采用鋼筋混凝土箱型拱肋，主拱肋截面高度2.0 m，寬度1.2 m，中部為矩形空腔;主孔共22 對吊桿，縱向間距3.0 m，每根吊桿采用48φ 7平行高強(qiáng)鋼絲加PE熱擠防護(hù)套配冷鑄鐓頭，外套不銹鋼管。

2 計(jì)算模型

該橋采用空間三維有限元模型建模，采用midas Civil軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，全橋由1 429個節(jié)點(diǎn)和1 405個單元組成，模型如圖1所示。

該橋采用空間有限元模型，縱梁和橫梁采用魚刺骨模型，恒載按照實(shí)際分布進(jìn)行加載，活載車道數(shù)取3車道，根據(jù)影響線進(jìn)行加載。

3 施工控制技術(shù)要點(diǎn)

3.1 更換吊桿順序及施工工藝流程

該橋的更換吊桿施工主要分三大步驟：臨時吊桿的張拉及舊吊桿的拆除、新吊桿的安裝、新吊桿張拉及臨時吊桿拆除。具體施工工藝流程如圖2。根據(jù)施工工藝流程圖可知，項(xiàng)目的施工技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)主要是安裝臨時吊桿體系。臨時吊桿體系關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)是臨時兜吊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝。

該橋臨時兜吊系統(tǒng)分為梁下臨時兜吊系統(tǒng)和拱頂臨時兜吊系統(tǒng)。首先，兜吊系統(tǒng)錨固端的剛度需要滿足施工張拉力的要求，一般不小于1.5倍最大吊桿力;其次，兜吊系統(tǒng)需要滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，在不平衡張拉力作用下，具有足夠的抗扭剛度;另外，兜吊系統(tǒng)還必須滿足施工過程中使用的便利性，每根吊桿更換完成后，可以利用千斤頂爬行至下一根吊桿位置;最后，兜吊系統(tǒng)必須滿足一定強(qiáng)度，在完成整座橋梁的吊桿更換施工前，不能有明顯的彎曲變形等。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)吊桿拱橋受力和變形特點(diǎn)，確定該橋的主要監(jiān)測內(nèi)容包括：主梁線形監(jiān)測、拱圈控制截面應(yīng)力監(jiān)測、拱圈位移監(jiān)測、吊桿索力控制、臨時錨固區(qū)集中應(yīng)力監(jiān)測。吊桿更換施工的關(guān)鍵主要是在施工過程中對吊桿力和橋面主梁線形進(jìn)行控制，為確保吊桿更換達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，更換施工過程中需要在更換全橋吊桿之前、更換完成之后以及調(diào)索完成之后三個時間節(jié)點(diǎn)，用高精度儀器對主梁線形標(biāo)高、全橋吊桿索力進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對施工過程的實(shí)時控制。

3.3 吊桿更換施工

更換吊桿施工，應(yīng)選擇在夜間或凌晨測定恒載狀態(tài)下吊桿安裝位置的拱肋端和系梁端的實(shí)際高程，作為吊桿更換的一個基點(diǎn)，并以之作為加固施工完成后的評定參數(shù)，測量包括吊桿索力測量和橋面控制點(diǎn)高程測量以及拱軸線的測量、舊吊桿索力檢測。

吊桿更換施工可分為兩個受力體系轉(zhuǎn)換過程：舊吊桿力向臨時吊桿力的轉(zhuǎn)換、臨時吊桿力向新吊桿力的轉(zhuǎn)換。

臨時吊桿張拉和舊吊桿的拆除，都是從拱頂進(jìn)行單端張拉完成的，張拉和拆除應(yīng)同步分級進(jìn)行，每一級的張拉過程中控制橋面標(biāo)高變化值應(yīng)在±5 mm之內(nèi)，張拉控制分級應(yīng)不少于5級。每一次受力體系轉(zhuǎn)換完成后，應(yīng)對主梁跨中測點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)高連續(xù)監(jiān)測，標(biāo)高穩(wěn)定后（穩(wěn)定時間不小于30 min），再進(jìn)行主梁全橋標(biāo)高量測。當(dāng)完成臨時吊桿與舊吊桿的更換受力體系轉(zhuǎn)換后，全橋應(yīng)停止施工，靜置觀測5 h，首件吊桿更換靜置觀測12 h，待兜吊系統(tǒng)完全穩(wěn)定沒有發(fā)生任何不良情況，方可進(jìn)行舊吊桿的拆除。

新吊桿的張拉和臨時吊桿的拆除也應(yīng)分級進(jìn)行，每一級的橋面標(biāo)高變化值也應(yīng)控制在±5 mm之內(nèi)，同時對新吊桿的張拉力進(jìn)行控制，利用高精度的索力儀適時采集索力值及吊桿頻率，為后期吊桿索力優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

3.4 溫度荷載影響問題

吊桿拱橋作為一個超靜定結(jié)構(gòu)受力結(jié)構(gòu)，在受到日照梯度溫差和系統(tǒng)溫差作用下，結(jié)構(gòu)會因溫度荷載效應(yīng)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形，使整體結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響，甚至造成嚴(yán)重后果。

3.4.1 溫度效應(yīng)有限元分析理論

溫度荷載下的有限元分析，是將溫度荷載引起的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行等價(jià)變換，然后對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)進(jìn)行分析。不同的溫度荷載下，拱肋中會因溫度差異導(dǎo)致拱肋產(chǎn)生附加應(yīng)力。假設(shè)因溫度變化而引起的橋跨變位為，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，溫度變化時，在彈性中心施加一個水平推力，當(dāng)溫度上升時為正（向內(nèi)），當(dāng)溫度下降時為負(fù)（向外）。其方程[3]為：

在的作用下，拱肋各截面產(chǎn)生的溫度內(nèi)力為：

式中，α——材料的線膨脹系數(shù);t1——拱肋合攏溫度;t2——溫度變化;——單位溫度應(yīng)力;E——彈性模量;μ——泊松比;I——截面慣性矩;Mt——溫度彎矩;Nt——溫度軸力;Qt——溫度剪力。

3.4.2 溫度效應(yīng)理論分析

按照溫度效應(yīng)有限元分析理論，結(jié)合更換吊桿過程中的施工環(huán)境溫度變化情況，運(yùn)用midas Civil分析軟件分別計(jì)算了該橋在系統(tǒng)升降溫20℃、階梯升降溫度10℃效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)位移變化情況，其中，系統(tǒng)升降溫度對結(jié)構(gòu)位移影響較大，如圖3、4所示。

以上計(jì)算結(jié)果表明，吊桿拱橋在溫度荷載作用下，在跨中拱頂位置位移變化最為明顯。在系統(tǒng)升溫荷載作用下，在拱頂和橋跨跨中位置位移最大，達(dá)17 mm。

3.4.3 溫度效應(yīng)實(shí)測結(jié)果

為了解溫度效應(yīng)對該橋?qū)嶋H施工的影響，現(xiàn)場在22根吊桿位置布設(shè)橋面線形控制測點(diǎn)，在不同環(huán)境溫度下，通過在該橋更換吊桿施工前進(jìn)行多次量測，得出實(shí)測系統(tǒng)溫差下的橋面線形變化情況。初值時的環(huán)境溫度為16～18 ℃，實(shí)測1時的環(huán)境溫度為24 ℃，實(shí)測2時的環(huán)境溫度為22 ℃，各測點(diǎn)的位移值如圖5所示。

根據(jù)施工現(xiàn)場對22根吊桿位置的位移實(shí)測，在環(huán)境溫差8 ℃下（整體升溫8 ℃），各吊桿位置都是出現(xiàn)了上撓現(xiàn)象，實(shí)測最大溫度荷載位移值為12 mm（跨中位置）。

以上表明，整體升溫荷載作用下，主梁位移都是上撓趨勢，而且日照系統(tǒng)溫差荷載的影響較大，在整個更換吊桿施工過程中不容忽視。

在該橋?qū)嶋H更換吊桿施工過程中，由于每次更換吊桿施工時間較長，溫度差異較大，更換完成后，為了消除溫度差異引起的系統(tǒng)誤差，應(yīng)在當(dāng)日更換完成后的同一工況下，夜間溫度穩(wěn)定時，再次量測各參數(shù)，以消除系統(tǒng)誤差，更好地指導(dǎo)施工。

3.5 索力優(yōu)化控制要點(diǎn)

更換吊桿施工過程中，是以施工安全，結(jié)構(gòu)受力安全為主要控制目標(biāo)。索力優(yōu)化的控制目標(biāo)是以結(jié)構(gòu)受力合理，橋面線形舒適美觀為目的。即橋面線形優(yōu)化為主，吊桿力均勻性優(yōu)化為輔[4]。

（1）二次調(diào)索時吊桿張拉對臨近吊桿起到卸載作用，但作用范圍有限，對遠(yuǎn)端吊桿幾乎沒有影響，因此可以利用這一特點(diǎn)降低調(diào)索次數(shù)。

（2）二次調(diào)索可通過優(yōu)化張拉順序改善局部受力效果。

（3）拱肋和系桿剛度比會對吊桿張拉產(chǎn)生影響，由于系桿和拱肋的彈性變形，跨中長吊桿在張拉調(diào)整過程中會因彈性變形損失掉部分張拉力，拱腳附近剛度相對較大，吊桿力隨著千斤頂?shù)膹埨龃?。在不引起吊桿索力大幅變化的前提下，通過長吊桿張拉微調(diào)可以較顯著地改變結(jié)構(gòu)線形。

索力優(yōu)化應(yīng)從以下幾個方面綜合分析：

（1）調(diào)索吊桿盡量選擇靠跨中位置吊桿。

（2）在調(diào)索吊桿位置橋面設(shè)置標(biāo)高控制點(diǎn)，監(jiān)測位移測量成果。

（3）用索力儀監(jiān)測索力值變化情況。

（4）在張拉端量測吊桿的抬升量。

（5）監(jiān)測約束端局部應(yīng)力。

4 結(jié)語

該文以某吊桿拱橋更換吊桿施工的監(jiān)測工作實(shí)例為基礎(chǔ)，通過采用 midas Civil分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測成果適時糾偏，順利完成了該橋的更換吊桿施工。通過工程實(shí)踐，得到了以下結(jié)論：

（1）文中提出的更換吊桿施工順序及施工工藝流程是可行的，通過該工藝能夠順利完成更換吊桿施工。

（2）該文提出了更換舊吊桿施工的施工注意要點(diǎn)，為同類型橋梁的舊吊桿更換施工提供了技術(shù)支持，保障了結(jié)構(gòu)施工安全，也對該類橋梁的施工監(jiān)控工作重點(diǎn)和難點(diǎn)具有很好的指導(dǎo)意義。

（3）該文根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測，證明了整體升溫系統(tǒng)溫差荷載效應(yīng)下，吊桿拱橋線形變化明顯，是施工過程中不可忽視的，同時給出了消除系統(tǒng)溫差荷載的監(jiān)測措施。

（4）該文總結(jié)了吊桿索力優(yōu)化如何進(jìn)行目標(biāo)控制，同時總結(jié)了吊桿索力優(yōu)化施工的要點(diǎn)和方法。

參考文獻(xiàn)

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