下承式系杆拱桥施工监控过程中索力的测试与调整

张卫锋

（上海同丰工程咨询有限公司，上海市200444）

下承式系杆拱桥施工监控过程中索力的测试与调整

张卫锋

（上海同丰工程咨询有限公司，上海市200444）

在系杆拱桥施工过程中，吊杆索力的大小直接影响着成桥线形及结构的内力分布。为此，在施工监控过程中，应对吊杆索力进行精确测试与调整。现结合实际工程，对常规索力测试方法进行改进，并介绍调索方法，以期对同类工程有所借鉴。

下承式系杆拱桥；施工监控；索力测试；索力调整

1 概述

下承式系杆拱桥属拱和梁相组合而成的拱桥，桥跨结构由拱肋、悬吊结构和横向联结系三部分组成，行车道在拱肋之下。拱和梁在两端固结，中间用吊杆联结，简支于桥梁墩台上，受力明确，是外部静定、内部超静定的结构。拱的水平推力由系梁承受。桥型整体具有外形美观，结构轻巧等特点，近年来该桥型在国内得到了广泛的应用。

对于下承式系杆拱桥，吊杆内力的大小影响着成桥时结构各部位，特别是纵梁的线形和内力分布。因此，在系杆拱桥施工监控过程中，对索力的准确测试及索力调整是关键内容之一。施工过程中的吊杆索力测试与调整具体可分为两部分：第一部分是对各施工阶段索力的测定，确定各施工阶段的吊杆实测索力值；第二部分是在实测索力的基础上对索力进行调整，以确保成桥后吊杆索力满足设计要求。在实际施工过程中，由于施工环境的复杂性，施工过程中的阶段吊杆索力与设计值会有所偏差，只有准确测定吊杆在各施工阶段的索力值，才能够在实测索力的基础上将成桥索力调整至设计索力目标值，索力测试与索力调整相辅相成而又相互影响。

2 吊杆索力测定方法

2.1 常规吊杆索力测定方法

当前索力测定的方法主要有千斤顶油压读数法、压力传感器读数法和频率法。油压读数法是利用千斤顶油压读数与张拉力的比例关系，将油压表读数换算成张拉力。该方法是施工过程中最常用的索力测定方法。压力传感器读数法是锚头内部安装压力传感器，张拉时可直接读出张拉力值。频率法是测定索体的自振频率，根据自振频率计算出索力值。频率法操作简单，可重复利用，是成桥后索力测试最常用的方法。

然而，上述方法均有优缺点，千斤顶油压读数法只能读出单根吊杆张拉时的索力值，由于每根吊杆在张拉时均对其余吊杆有影响，因此张拉后续吊杆时并不能确定先张拉的吊杆实际索力值。压力传感器法不利于吊杆锚头防腐且价格昂贵，一般不采用。频率法虽然方便，但由于吊杆受两端约束条件，截面刚度等影响，由自振频率计算索力时很难精确确定计算索长，另外，频率法也较难测出靠近拱脚的短吊杆的低阶频率。

2.2 吊杆索力测定的改进方法

目前施工时测定吊杆索力一般采用千斤顶油压表读数法，成桥后采用频率法，在计算吊杆索力时，按照吊杆的计算长度换算出索力，然而，吊杆的计算长度由于受两端约束、截面刚度的影响，直接采用计算长度计算出的吊杆索力与实际吊杆索力有所偏差。因此，在施工监控过程中，可将油压表读数法和频率法相结合，根据实测索力结果对吊杆长度予以修正，再以修正后的吊杆长度作为频率法的计算长度。具体做法如下：

（1）千斤顶张拉每根吊杆时读取油压表读数，换算出索力值。

（2）张拉完毕后，采用频率法测定该吊杆的频率。

（3）将测定的索力及频率代入公式（1）（即为吊杆两端固结并考虑截面刚度），反算出吊杆计算长度。

（4）重复上述过程，将全桥的吊杆计算长度逐一进行修正。

（5）以（3）中修正的吊杆长度作为后续频率法测定索力的计算长度，测出各施工阶段的吊杆频率，进而计算出吊杆索力值。

3 吊杆索力调整的理论基础及方法

3.1 吊杆索力调整的理论基础

在施工监控过程中，吊杆张拉过程是分批分阶段张拉的，在张拉过程中伴随着结构变形、系杆支承体系的变化和内力重分配等，前期张拉完的吊杆拉力直接影响后期吊杆的张拉力。因此，在系杆拱桥施工监控过程中须对所有的吊杆力进行调整。

在目前系杆拱桥施工过程中，控制吊杆张拉力采用的方法有刚性支承连续梁法、零位移法和弯矩最小法等。但最为常用的是基于影响矩阵法对系杆拱桥进行调索。影响矩阵法是以每根吊杆的张拉力控制值为基本，给吊杆施加单位力，利用计算软件求出单位力作用下的吊杆内力矩阵，建立典型方程，通过求解线形方程组得到每根吊杆调整的张拉力控制值，从而使得最终的吊杆索力达到设计要求。

假设当前施工阶段各吊杆索力为 T01、T02、T03…T0i…T0n，计作[T0]；设计目标索力为T1、T2、T3…Ti… Tn，计作[T]，得出各吊杆需调整的索力值：ΔT1、ΔT2、ΔT3…ΔTi…ΔTn，计作[ΔT]，则有：

由公式（2）可求得吊杆索力调整值：

需要注意的是，使用式（3）进行吊杆索力调整时，结构应处于线性状态，一般应用于初张拉完成以后的阶段，另外，由上式求得的是索力增量值而不是千斤顶张拉力值，而千斤顶张拉力值则须根据张拉顺序重新求解。

3.2 吊杆调索具体实施方法

在系杆拱桥施工监控过程中，通常以设计给定的索力为控制目标，根据施工工序确定各施工状态。由式（3）可知，索力增量与张拉顺序无关，即不论先调整哪根吊杆的索力，待所有吊杆索力调整完，都会得到同样的结果，从而达到设计目标索力。然而，在实际调索工程中须选定顺序，因为千斤顶的张拉力与调索顺序密切相关，结构的内力也随着索力调整而变化。因此，在系杆拱桥调索时，应遵循如下原则：（1）吊杆索力调整时，为保证结构安全，尽量使结构的内力或挠度变化幅值最小；（2）为缩减调索的步骤，尽可能做到只调整部分吊杆的索力；（3）由于各索相互影响，在吊杆调整过程中，要保证每根吊杆的索力均在安全范围内。

根据上述原则，系杆拱桥具体吊杆调索实施方法如下：

（1）测定每根吊杆的频率，按照修正后的吊杆长度逐一求出每根吊杆当前状态下的实际索力。

（2）将实测的索力输入计算模型，由于施工过程中存在误差，实测的索力很难与理论计算模型中得到的索力完全吻合，因此须对计算模型进行先倒拆再正装的迭代计算。实际上，此倒拆-正装迭代计算为虚拟模拟计算过程，正装分析完成后模型中的各吊杆索力即为当前状态下的实测索力。

（3）拟定吊杆索力调整张拉顺序，在反复试算的基础上找出最优吊杆调整顺序。

（4）各吊杆索力调整完成后，再次用频率法测定吊杆的索力，验证调整后的索力是否达到索力设计值。

上述调索实施方法可用如下流程图表示（见图1）。

图1 吊杆调索实施流程图

4 工程实例

某下承式钢管混凝土系杆拱桥，跨径52 m，矢跨比为1/4.78，纵横梁格体系，拱肋采用单圆钢管截面，内灌混凝土，拱肋间设三道圆形风撑。全桥共设28对吊杆，吊杆间距3.0 m，吊杆线密度21.5 kg/m，施工工艺为先拱后梁。图2为吊杆编号示意图。

图2 吊杆编号示意图

4.1 吊杆索力测试结果

按照前述，采用千斤顶油压表读数法与频率法相结合，根据修正后的吊杆长度测得各吊杆索力，见表1所列。

表1 调索前实测吊杆索力汇总表

表1中E和W分别代表东西两侧拱肋，由表中可以看出，修正后的吊杆长度均小于理论吊杆长度，其中边吊杆最为明显。调索前各吊杆索力不均匀，索力最大值630 kN，最小值仅有434 kN。

4.2 吊杆索力调整

将实测索力输入计算模型，对计算模型进行倒拆-正装迭代分析，最终选择按照1-14-8-7-3-12-10-5-2-13-4-11-6-9的吊杆索力调整顺序，调索后各吊杆索力见表2所列。

表2 调索后各吊杆索力值汇总表

由表2可知，调索后实测吊杆索力比设计成桥索力偏大，其中东侧E5实测索力比理论索力大5.0%，西侧W7实测索力比理论索力大5.2%，其余误差均在5%以内，调索后各吊杆索力基本满足要求。

5 结论

（1）下承式系杆拱桥在施工监控过程中，为保证吊杆索力测试精度，建议采用千斤顶油压表读数法与频率法相结合，关键是对吊杆计算长度的修正。

（2）调索时以设计索力为目标值，由实测索力通过倒拆-正装分析，在保证结构安全的前提下优化张拉顺序，确保理论分析与实际施工相一致。

U446.2

B

1009-7716（2017）04-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.040

2017-01-17

张卫锋（1983-），男，山东曹县人，硕士，工程师，从事旧桥加固设计及施工监控工作。