摘要 文章基于特大跨徑鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控項(xiàng)目，以超長(zhǎng)系桿為研究對(duì)象，對(duì)其幾何非線性進(jìn)行研究，并對(duì)其體系轉(zhuǎn)換過程系桿張拉控制方法的關(guān)鍵技術(shù)問題展開探究。研究發(fā)現(xiàn)，此類超長(zhǎng)系桿支撐于吊桿橫梁上的支架上，由于吊桿橫梁支架的支撐作用，使得本橋超長(zhǎng)系桿的垂度較小，系桿的非線性效果并不顯著，在不考慮非線性的情況下，系桿張拉控制和邊墩位移控制均能達(dá)到較高精度。文章提出的體系轉(zhuǎn)換過程中采用逐級(jí)放張結(jié)合實(shí)施監(jiān)測(cè)控制方法，分34級(jí)臨時(shí)系桿逐根放張，逐步張拉永久系桿，將臨時(shí)系桿力傳遞給永久系桿。實(shí)踐證明，該方法在整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)系桿力滿足規(guī)范要求，邊墩水平位移在安全范圍內(nèi)，保證了結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞 超長(zhǎng)系桿；鋼箱系桿拱；張拉控制；幾何非線性

中圖分類號(hào) U448.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）06-0090-03

0 引言

在系桿拱橋的設(shè)計(jì)施工中，吊桿、系桿及系梁內(nèi)力的確定與調(diào)整是非常重要的，合理吊桿及系桿力的確定能使拱橋成橋后線形流暢受力合理，降低對(duì)基礎(chǔ)的要求[1]。鋼箱拱橋采用纜索吊裝法施工，施工過程中拱肋分段數(shù)多，單件吊裝階段體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在施工過程中容易出現(xiàn)實(shí)際線形與理想線形發(fā)生偏離的情況。為了保證大橋的安全和質(zhì)量，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變形、索力和應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與理論值進(jìn)行對(duì)比，并及時(shí)反饋調(diào)整后續(xù)節(jié)段接頭的定位標(biāo)高。在采用纜索吊裝—斜拉扣掛施工的大跨度鋼箱拱橋中，施工控制的關(guān)鍵技術(shù)是確定扣索索力[2]。特別是當(dāng)扣、背索采用鋼絞線施工時(shí)，要盡量減少?gòu)埨螖?shù)，否則會(huì)導(dǎo)致鋼絲松弛，產(chǎn)生索力損失，甚至滑脫，引起質(zhì)量事故。

1 超長(zhǎng)系桿的幾何非線性簡(jiǎn)化研究方法

1.1 超長(zhǎng)系桿的幾何非線性考慮方法

對(duì)于超長(zhǎng)系桿的張拉控制分析，其幾何非線性效應(yīng)是首要考慮的問題。非垂直方向的系桿（也稱拉索）在自重作用下產(chǎn)生垂度，索力的改變引起索垂度的變化，但兩者間的關(guān)系不是線性的。因此在索力作用下，除發(fā)生索體材料的彈性變形外，還將引起索垂度改變，即索力的變化與其兩端點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不是線性的，索表現(xiàn)出非線性效應(yīng)[3]。當(dāng)前，幾何非線性有限元數(shù)值分析中對(duì)索垂度引起的非線性效應(yīng)的常用處理方式有三種：等效彈性模量法、多節(jié)點(diǎn)等參元法和多段直桿法[4]。

（1）等效彈性模量法。Ernst采用一個(gè)桁架單元來(lái)模擬纜索構(gòu)件，采用等效修正剛度考慮纜索松弛對(duì)彈性模量的影響，不適用于大位移幾何非線性較強(qiáng)的情況。

（2）多節(jié)點(diǎn)等參元法。基于解析表達(dá)式的多節(jié)點(diǎn)曲線索單元、多項(xiàng)式插值函數(shù)曲線索單元、兩節(jié)點(diǎn)拋物線索單元、兩節(jié)點(diǎn)懸鏈線索單元，使索單元的計(jì)算精度及使用性能不斷獲得提高，但是這些單元形函數(shù)表達(dá)式非常復(fù)雜，程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)計(jì)算量過大。

（3）多段直桿法。將纜索構(gòu)件離散成多個(gè)兩節(jié)點(diǎn)桁架單元來(lái)模擬構(gòu)件的曲線幾何，這種方法程序?qū)崿F(xiàn)最為簡(jiǎn)單，計(jì)算量也可以接受，是目前應(yīng)用最廣泛的方法。

柔性系桿的作用是通過平衡邊跨水平推力和改善邊跨拱肋，提高整座橋梁的穩(wěn)定性和抗震性能。系桿沿上層橋面系在整個(gè)主橋長(zhǎng)度范圍內(nèi)通長(zhǎng)設(shè)置，并通過柔性系桿支架固定在吊桿（立柱）橫梁上，然后兩端分別錨在11#墩和14#墩墩頂?shù)倪吙绻袄叨瞬?。單?cè)拱肋共設(shè)置了6條柔性系桿，每條系桿都由37根Φ15.2 mm（強(qiáng)度1 860 MPa）的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，單根鋼絞線表面涂有環(huán)氧涂層以進(jìn)行防護(hù)，在外部還進(jìn)行了HDPE護(hù)套包覆。

橋梁系桿沿上層橋面系在整個(gè)主橋長(zhǎng)度范圍內(nèi)通長(zhǎng)設(shè)置，長(zhǎng)度568.25 m。系桿支撐于吊桿橫梁上的支架上。由于吊桿橫梁支架的支撐作用，使得該橋超長(zhǎng)系桿的垂度較小。該文對(duì)此類超長(zhǎng)系桿采用桁架單元模擬，不考慮幾何非線性的影響。

1.2 超長(zhǎng)系桿索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

采用桁架單元模擬，不考慮幾何非線性的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求，邊墩的墩頂水平位移不大于5 mm，以此來(lái)確定不同施工階段系桿力。不同施工階段的荷載不同，得到每個(gè)施工階段需要張拉的系桿力。柔性系桿采用千斤頂張拉，在14號(hào)墩系桿錨固端設(shè)置壓力傳感器進(jìn)行系桿索力監(jiān)測(cè)。在索力張拉過程中先張拉左右側(cè)3-1、3-2號(hào)系桿，張拉過程中注意左右側(cè)系桿力對(duì)稱張拉，隨后隨著系桿力的增加依次張拉1-1、1-2號(hào)系桿，最后張拉2-1、2-2號(hào)系桿。施工完橋面系后進(jìn)行一次系桿力調(diào)整，使左右側(cè)6根系桿力保持均勻。監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1所示。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，整個(gè)施工過程中系桿力與理論系桿力基本一致，誤差在5%之內(nèi)，滿足規(guī)范10%的要求。超長(zhǎng)系桿的非線性效果并不顯著，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，經(jīng)過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，在不考慮非線性的情況下，系桿的張拉控制和邊墩位移控制均達(dá)到較高的精度，保證了結(jié)構(gòu)的安全。

2 體系轉(zhuǎn)換過程系桿張拉控制方法研究

在該橋主拱合攏后，進(jìn)行邊拱纜索吊裝施工。邊拱施工過程中，安裝并張拉臨時(shí)系桿。臨時(shí)系桿一端錨固于邊墩（11、14號(hào)墩）拱腳位置，另一端錨固于主拱拱肋上。臨時(shí)系桿采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固，單邊采用34根鋼絞線，現(xiàn)場(chǎng)見圖2。在邊拱肋合攏后，安裝邊拱剛性系桿，然后安裝永久柔性系桿，將臨時(shí)系桿力轉(zhuǎn)移至永久系桿，完成體系轉(zhuǎn)換。整個(gè)施工過程需要保證邊墩墩頂水平位移在5 mm變形范圍內(nèi)。

在進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換過程中，系桿力的數(shù)值不僅影響邊拱肋的受力，而且影響邊墩的受力，如果整個(gè)過程控制不好，可能會(huì)引起邊墩的墩底混凝土開裂，甚至可能引起邊墩的支撐問題而導(dǎo)致邊拱腳脫壓，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求，松臨時(shí)系桿和張拉永久系桿應(yīng)同步進(jìn)行，由于現(xiàn)場(chǎng)施工工序的影響，不可避免地會(huì)發(fā)生不同步的情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該次研究采用逐級(jí)放張法。34次分級(jí)放張的方案，逐步將臨時(shí)系桿力轉(zhuǎn)移至永久系桿。整個(gè)過程施工工序如下：

（1）左右兩邊對(duì)稱松開第1根臨時(shí)系桿預(yù)應(yīng)力束。

（2）永久系桿張拉補(bǔ)張拉系桿松的力值。

（3）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)邊墩位移測(cè)量、系桿索力測(cè)量，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行下一次預(yù)應(yīng)力束放張。

（4）剩下的33根預(yù)應(yīng)力束的放張及永久系桿張拉工作依次按照（1）～（3）的步驟循環(huán)進(jìn)行，直到所有臨時(shí)系桿預(yù)應(yīng)力束放張完畢，所有臨時(shí)系桿力均由永久系桿承擔(dān)。

在整個(gè)體系轉(zhuǎn)換過程中，依次逐根解除臨時(shí)系桿，同步張拉永久系桿。整個(gè)過程的索力監(jiān)測(cè)及邊墩水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。

由表2可見，整個(gè)體系轉(zhuǎn)換施工過程，總體系桿力的誤差較小，滿足規(guī)范允許偏差10%的要求。整個(gè)施工過程中，邊墩水平位移保證在5 mm范圍內(nèi)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)前后的外觀檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)橋墩出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，整個(gè)施工過程結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

該橋梁超長(zhǎng)系桿支撐于吊桿橫梁上的支架上，由于吊桿橫梁支架的支撐作用，系桿的垂度較小，系桿的非線性效果并不顯著。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，經(jīng)過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，在不考慮非線性的情況下，系桿的張拉控制、邊墩的位移控制均達(dá)到較高的精度，并保證結(jié)構(gòu)的安全。在體系轉(zhuǎn)換過程中采用臨時(shí)系桿逐根放張，逐步張拉永久系桿，將臨時(shí)系桿力傳遞給永久系桿的方法，可以使在整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)系桿力滿足規(guī)范要求，邊墩水平位移在安全范圍內(nèi)，整個(gè)施工控制方法安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]雷俊卿， 張坤， 夏超逸， 等．哈大高鐵新開河鋼箱疊合拱橋理論分析與實(shí)橋監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)[J]. 工業(yè)建筑， 2016（ZII）： 336-339 .

[2]于凱同. 大跨度中承式鋼拱橋建造過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]." 蘭州：蘭州交通大學(xué)， 2013.

[3]張運(yùn)波. 大跨度鐵路鋼桁斜拉橋施工階段力學(xué)行為分析[D]." 成都：西南交通大學(xué)， 2011.

[4]劉書杰， 郭榮. 鋼箱拱肋纜索吊裝中幾何非線性影響的分析[J]．中國(guó)市政工程， 2008（6）： 26-27+30+87-88