先梁后拱式系杆拱桥吊杆张拉及索力控制研究

蔡军田

(中铁九局集团第七工程有限公司，辽宁沈阳 110000)

1 工程概况

新建沈阳至丹东铁路客运专线改建沈丹乙线太子河特大桥，采用1跨95.7 m钢管混凝土系杆拱。该桥为双线刚性系梁刚性拱桥，跨径L=95.7 m，全长98 m，系梁与拱肋固接，整个结构为内部超静定外部静定。拱轴线采用二次抛物线，矢跨比为f/L=1∶4.98，矢高为 19.2 m，理论拱轴线方程为 z=0.8x－0.008 33x2。拱肋横断面采用哑铃型钢管混凝土等截面，钢管外径100 cm壁厚20 mm，上下两拱肋中心距1.5 m，拱肋截面高2.5 m。上下拱肋之间采用厚16 cm的腹板连接，腹板间距96 cm，腹板间灌注混凝土。拱肋之间共设1组一字形横撑、4道K撑，一字撑采用外径1.0 m的圆形钢管组成，斜撑采用外径0.8 m的圆形钢管组成，钢管内不填充混凝土。拱肋在横桥向内倾8°角，成提篮式样，拱顶处两拱肋中心距8.058 m。拱肋与桥面靠吊杆相连，全桥共设17对吊杆，吊杆间距5 m。吊杆索采用PES(FD)7-121成品索，抗拉强度标准值为1 670 MPa，疲劳应力幅200 MPa。钢丝按GB 5223标准执行，双层HDPE防护，采用LZM7-121带万向铰构造的冷铸墩头锚。吊杆的张拉端设在系梁下端，在梁体内预埋钢管采用张拉杆进行吊杆张拉。吊杆的张拉需在拱肋混凝土强度达到设计强度的90%以上，且龄期＞14 d以后方可进行。桥型布置如图1。

图1 全桥立面

2 施工工艺流程

本桥采用先梁后拱的施工方法，梁部采用满布支架施工，跨越道路立交部分采用贝雷架，拱肋钢管在梁顶搭设支架安装。施工顺序为:系梁支架地基处理→搭设系梁支架→预压→安装模板及支座→绑扎系梁及拱座预埋段钢筋→预应力孔道安装→分段浇筑系梁混凝土→张拉系梁钢绞线→搭设拱肋支架→安装拱肋及横撑→顶升拱肋钢管混凝土→拆除部分拱肋支架→吊杆安装→吊杆张拉→拆除系梁支架。

3 吊杆施工

3.1 吊杆安装

当拱肋调整线形后，且上弦管内混凝土强度达到设计强度的90%以上时即可进行吊杆安装。吊杆运至施工现场，把钢丝绳从拱肋吊杆套管中顺下，并系在墩头锚顶端联结器吊环上，联结器与要吊装的吊杆联结。吊车提起联结器带着吊杆一起提升，当吊杆提升至接近拱肋吊杆套管时，锚头对准套管后缓缓提升，吊杆伸出锚垫板后上好上锚头锚固螺母，并安装好吊杆防护罩，松开钢丝绳，拧下联结器。

3.2 吊杆张拉

3.2.1 吊杆张拉顺序

吊杆施加预应力是系杆拱进行体系转换的关键工序，具有裸拱加载的特点。在本桥施工中，吊杆采用分批对称张拉，并且一次张拉到位，不同的张拉顺序对拱肋受力的影响是不一样的。

方案1:从拱脚到跨中依次分批对称张拉，张拉顺序为 1，1'→2，2'→ 3，3'→ 4，4'→ 5，5'→ 6，6'→ 7，7'→8，8'→9，9'。通过有限元计算分析:张拉时拱肋受力不均匀，拱肋局部拉应力较大，张拉 2#，3#，4#，5#吊杆时拱脚处上缘混凝土拉应力较大，其中张拉3#吊杆时拱脚处上缘混凝土的拉应力为5.44 MPa，在1/4截面附近出现4.4 MPa的拉应力，而C50混凝土的轴心抗拉极限强度为3.10 MPa，易产生裂缝。

方案2:从拱脚开始跳跃式分批对称张拉，张拉顺序为 1，1'→2，2'→ 6，6'→ 5，5'→ 8，8'→ 9，9'→ 3，3'→4，4'→7，吊杆张拉力见表1。通过有限元计算分析:张拉时拱肋受力均匀，拱肋局部地方拉应力较小，张拉时不会产生裂缝。对两种张拉方案进行比较，方案2更为合理可靠。

表1 从拱脚开始跳跃式分批对称张拉吊杆张拉力

3.2.2 吊杆张拉实施

当拱肋压浆完成并达到一定要求强度后，可以进行吊杆张拉工作。吊杆张拉时，严格按照设计张拉次序对吊杆进行张拉，且两个拱肋同时对称进行。张拉采用应力与伸长量双控，张拉工艺与预应力钢绞线张拉要求与方法相同。千斤顶在系梁下端张拉吊杆索，钢管拱为固定端。张拉杆自上而下穿入，将张拉螺母旋入张拉杆，对中千斤顶活塞。连接油泵油管与压力表，按照张拉程序张拉、测量、记录与观察。张拉过程中固定端与桥面要安排专人观察、检查，防止固定端螺母位置的变化与索体偏心。张拉过程中为保证索体应力准确，减少应力损失，张拉螺母必须不断旋紧到与钢垫板完全密贴后，才能放张锚固。

4 吊杆索力监测

4.1 索力监测的必要性与方法

系杆、拱肋和吊杆组成系杆拱的立面构造，系杆和拱肋是主要承重结构，而吊杆则是两者之间的传力构件，桥面荷载要通过吊杆传递给拱肋。因此吊杆是系杆拱桥主要构件之一，吊杆能否正常工作，将会影响到整个桥梁的正常运营。在梁拱组合体系桥梁中，正确设计和测定吊杆内力，对于确保结构受力合理非常重要。在施工过程中，应根据设计要求对吊杆索力进行张拉和调整，使结构总体进入最佳工作状态。成桥后，也应对吊杆拉索进行索力测试，以了解桥梁结构在正常运营下的受力状况。

目前，在工程实践中，测定吊杆索力普遍采用的方法有油压表读数法、传感器标定法和频率法。前两种方法一般仅适用于正在张拉的吊杆的索力测定，当需要对己施工完毕的吊杆进行索力复测时，频率法几乎是唯一选择。用频率法测定缆索张力是首先测定缆索的固有振动频率，再根据两端拉紧的缆索其张力与频率之间的固有关系算得张力，是一种间接的测试方法。这种方法只要边界条件模拟恰当，测量精度很高，通常在5%以内。

4.2 频率法测试索力的基本原理

频率法测试吊杆索力的理论基础是弦振动理论。主要承受轴向拉力的吊杆，如果考虑吊杆的抗弯刚度EI，则应用动力学普遍原理可以建立均匀线密度的吊杆在无阻尼状态下的自由振动方程。

将吊杆看成是两端张紧的弦，并假定:①张紧后的吊杆为一条直线，吊杆的两端铰接，忽略自重的影响;②吊杆仅作微幅横向自由振动，没有横向力的作用;③吊杆是均质材料，即ρ(x)=常数。

则吊杆在张紧状态下自由振动方程为

式中:u=u(x，t)为沿吊杆竖向在t时刻x点的横向振幅;EI为吊杆的抗弯刚度;T为吊杆的张力;ρ=ρ(x)为吊杆的线密度。

在以上假定条件下，式(1)的解为

式中:L为吊杆的计算长度;fn为吊杆自由振动时的第n 阶频率，n=1，2，3 ，…。

略去吊杆弯曲刚度的影响，式(2)变为

对吊杆而言，张力一定时其各阶自振频率的频谱是等间距的，且间距等于其1阶自振频率f1。以下假定测得了吊杆在张紧状态的1阶频率f1，则式(3)又可写成

由公式(4)可知，明确了缆索的材料和长度之后，通过测量其自由振动一阶频率(或主振频率)，就可确定缆索的拉力。K为比例系数，可通过现场标定准确测得。

4.3 索力测试

4.3.1 卸架前索力测试

拱桥系梁卸架前，对吊杆进行张拉，张拉时先对索力计进行现场标定，所有吊杆张拉完成后，对每根吊杆进行索力测定。

通过对吊杆索力实测值和本阶段目标索力值比较，相对误差均在10%以内，满足落架条件，可以进行系梁落架。待落架完成后，对各吊杆索力进行测试，并与设计值进行比较，通过比较确定是否调索，最终确保各吊杆索力在设计误差允许范围以内。

4.3.2 卸架后索力测试及调整

拱桥系梁卸架后对所有吊杆索力进行测试，然后对索力超出设计误差允许范围的吊杆进行调整，最后对每根吊杆进行索力测试，部分测试结果见表2。

表2 卸架后吊杆索力测试

通过对吊杆索力实测值和本阶段设计索力值比较，全桥吊杆力控制均匀，各个吊杆实测值与目标值吻合较好，实测值与目标值的误差均在合理误差以内，从整体和局部来讲都是理想的，满足设计对吊杆力的要求。

5 结语

吊杆施加预应力是系杆拱进行体系转换的关键工序，具有裸拱加载的特点。在张拉过程中，应进行全程跟踪测量，随时解决张拉过程中出现的异常情况，并根据实际情况提出了可行的调整措施，为吊杆安全张拉提供了可行的方案及准确数据。按照施工现场实际情况，不断修正方案，顺利完成了本桥全部吊杆的张拉工作。对于吊杆设计、张拉过程认真分析后，得到以下几点结论:

1)吊杆采用分批对称张拉，并且一次张拉到位，不同的张拉顺序对拱肋受力的影响是不一样的。从拱脚到跨中依次分批对称张拉，拱肋受力不均匀，拱肋局部拉应力较大，超过混凝土的抗拉设计强度，受力不利。吊杆的张拉顺序需要严格计算后确定，宜采用从拱脚开始跳跃式分批对称张拉，使拱肋受力均匀合理。

2)在吊杆张拉过程中，结构随时都在进行体系转化，结构各部分的内力重分配现象较明显，特别在刚性系杆刚性拱中索和拱的内力变化明显，所以正确测定和控制吊杆内力，确保结构受力合理非常重要。

［1］张秀成，谢奎，任毅勇.浅析宜宾市小南门金沙江大桥桥塌原因与修缮方案［J］.河南城建高等专科学校学报，2002，11(2):35-41.

［2］吴海军，陈思甜.斜拉桥张力测试方法研究［J］.重庆交通学院学报，2001，20(4):23-25.

［3］HIRONAKA Z.Practical formulas for estimation of cable tension by vibration method［J］.Journal of Structural Engineering，1996，120(4):77-82.

［4］沈超明，杭振园，李年维.力传感器修正频率法在吊杆张力测试中的应用［J］.铁道建筑，2012(4):40-43.

［5］朱卫国，申永刚，项贻强，等.梁拱组合体系桥柔性吊杆张力测试［J］.中南公路工程，2004，29(1):21-23.

［6］王卫锋，韩大建.斜拉桥的张力测试及其参数识别［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2004，29(1):18-21.

［7］胡利平，凌育洪.脉动法张力测量技术及相关参数分析［J］.中南公路工程，2004，29(4):56-61.