吊杆拱桥更换吊杆施工控制要点分析与应用

侯安

摘要 更换吊杆施工是吊杆拱桥加固改造工程中关键工程，如何保障结构施工安全和结构线形美观是整个更换吊杆工程的难点，文章以某工程吊杆更换施工过程为基础，根据吊杆更换施工顺序和工艺流程，采用midas Civil仿真分析软件对结构进行温度荷载效应计算，结合实际监测结果，证明了温度荷载效应是吊杆拱桥施工必须解决的问题，并给出了有效解决方案。同时，针对吊杆更换完成后的索力优化问题，提出了解决办法，使该桥更换吊杆施工顺利完成，结构线形美观，受力合理。

关键词 吊杆拱桥;更换吊杆;温度荷载;索力优化

中图分类号 U448.225 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0142-03

0 引言

随着桥梁设计和施工水平的不断提升，我国建造出了各种类型的桥梁结构。吊杆拱桥由于其结构轻型美观，得到了很多设计者的青睐。在使用过程中，吊杆拱桥通常会出现吊杆保护套管材料老化、吊杆钢丝锈蚀，锚固区钢丝出现疲劳破坏，损伤断裂等病害，使吊杆索力降低，桥跨下挠，甚至危及桥梁结构安全[1]。为了保障老旧桥梁结构能够安全运营，使其在经济建设中发挥长远作用，桥梁结构加固设计和施工要求比新桥建设更高。同时，老旧吊杆拱桥进行吊杆更换施工时，往往因为年代久远，无法查找详尽的设计图纸，甚至对材料尺寸、规格都出现明显偏差。吊杆拱桥更换吊杆施工的复杂性，要求工作者必须严格做好施工控制。在施工控制中，通过及时量测和采集各项参数，与仿真计算结果对比分析，适时纠偏，调整施工工艺，使施工技术安全可行，桥梁结构受力合理，线形美观，行车舒适。

该文以某吊杆拱桥更换吊杆施工为基础，采用主梁线形控制为主，拱肋控制截面应变控制为辅的双控机制[2]，顺利完成了该桥的更换吊杆施工。

1 工程概况

东莞市某吊杆拱桥跨径布置为45 m+80 m+45 m，于1994年建成通车。上部结构主孔采用中承式吊杆拱，边孔为双肋式上承拱，主拱圈矢跨比为1/3;边拱圈矢跨比为1/6，拱轴系数 m=1.347。主孔拱肋采用钢筋混凝土箱型拱肋，主拱肋截面高度2.0 m，宽度1.2 m，中部为矩形空腔;主孔共22 对吊杆，纵向间距3.0 m，每根吊杆采用48φ 7平行高强钢丝加PE热挤防护套配冷铸镦头，外套不锈钢管。

2 计算模型

该桥采用空间三维有限元模型建模，采用midas Civil软件进行整体结构分析计算，全桥由1 429个节点和1 405个单元组成，模型如图1所示。

该桥采用空间有限元模型，纵梁和横梁采用鱼刺骨模型，恒载按照实际分布进行加载，活载车道数取3车道，根据影响线进行加载。

3 施工控制技术要点

3.1 更换吊杆顺序及施工工艺流程

该桥的更换吊杆施工主要分三大步骤：临时吊杆的张拉及旧吊杆的拆除、新吊杆的安装、新吊杆张拉及临时吊杆拆除。具体施工工艺流程如图2。根据施工工艺流程图可知，项目的施工技术重点和难点主要是安装临时吊杆体系。临时吊杆体系关键施工节点是临时兜吊系统的设计和安装。

该桥临时兜吊系统分为梁下临时兜吊系统和拱顶临时兜吊系统。首先，兜吊系统锚固端的刚度需要满足施工张拉力的要求，一般不小于1.5倍最大吊杆力;其次，兜吊系统需要满足结构稳定性要求，在不平衡张拉力作用下，具有足够的抗扭刚度;另外，兜吊系统还必须满足施工过程中使用的便利性，每根吊杆更换完成后，可以利用千斤顶爬行至下一根吊杆位置;最后，兜吊系统必须满足一定强度，在完成整座桥梁的吊杆更换施工前，不能有明显的弯曲变形等。

3.2 监测内容

根据吊杆拱桥受力和变形特点，确定该桥的主要监测内容包括：主梁线形监测、拱圈控制截面应力监测、拱圈位移监测、吊杆索力控制、临时锚固区集中应力监测。吊杆更换施工的关键主要是在施工过程中对吊杆力和桥面主梁线形进行控制，为确保吊杆更换达到预期目标，更换施工过程中需要在更换全桥吊杆之前、更换完成之后以及调索完成之后三个时间节点，用高精度仪器对主梁线形标高、全桥吊杆索力进行监测，以实现对施工过程的实时控制。

3.3 吊杆更换施工

更换吊杆施工，应选择在夜间或凌晨测定恒载状态下吊杆安装位置的拱肋端和系梁端的实际高程，作为吊杆更换的一个基点，并以之作为加固施工完成后的评定参数，测量包括吊杆索力测量和桥面控制点高程测量以及拱轴线的测量、旧吊杆索力检测。

吊杆更换施工可分为两个受力体系转换过程：旧吊杆力向临时吊杆力的转换、临时吊杆力向新吊杆力的转换。

临时吊杆张拉和旧吊杆的拆除，都是从拱顶进行单端张拉完成的，张拉和拆除应同步分级进行，每一级的张拉过程中控制桥面标高变化值应在±5 mm之内，张拉控制分级应不少于5级。每一次受力体系转换完成后，应对主梁跨中测点进行标高连续监测，标高稳定后（稳定时间不小于30 min），再进行主梁全桥标高量测。当完成临时吊杆与旧吊杆的更换受力体系转换后，全桥应停止施工，静置观测5 h，首件吊杆更换静置观测12 h，待兜吊系统完全稳定没有发生任何不良情况，方可进行旧吊杆的拆除。

新吊杆的张拉和临时吊杆的拆除也应分级进行，每一级的桥面标高变化值也应控制在±5 mm之内，同时对新吊杆的张拉力进行控制，利用高精度的索力仪适时采集索力值及吊杆频率，为后期吊杆索力优化提供数据支持。

3.4 温度荷载影响问题

吊杆拱桥作为一个超静定结构受力结构，在受到日照梯度温差和系统温差作用下，结构会因温度荷载效应产生较大的温度应力和变形，使整体结构受力产生不利影响，甚至造成严重后果。

3.4.1 温度效应有限元分析理論

温度荷载下的有限元分析，是将温度荷载引起的结构变化进行等价变换，然后对结构的反应进行分析。不同的温度荷载下，拱肋中会因温度差异导致拱肋产生附加应力。假设因温度变化而引起的桥跨变位为，根据变形协调条件，温度变化时，在弹性中心施加一个水平推力，当温度上升时为正（向内），当温度下降时为负（向外）。其方程[3]为：

在的作用下，拱肋各截面产生的温度内力为：

式中，α——材料的线膨胀系数;t1——拱肋合拢温度;t2——温度变化;——单位温度应力;E——弹性模量;μ——泊松比;I——截面惯性矩;Mt——温度弯矩;Nt——温度轴力;Qt——温度剪力。

3.4.2 温度效应理论分析

按照温度效应有限元分析理论，结合更换吊杆过程中的施工环境温度变化情况，运用midas Civil分析软件分别计算了该桥在系统升降温20℃、阶梯升降温度10℃效应下的结构位移变化情况，其中，系统升降温度对结构位移影响较大，如图3、4所示。

以上计算结果表明，吊杆拱桥在温度荷载作用下，在跨中拱顶位置位移变化最为明显。在系统升温荷载作用下，在拱顶和桥跨跨中位置位移最大，达17 mm。

3.4.3 温度效应实测结果

为了解温度效应对该桥实际施工的影响，现场在22根吊杆位置布设桥面线形控制测点，在不同环境温度下，通过在该桥更换吊杆施工前进行多次量测，得出实测系统温差下的桥面线形变化情况。初值时的环境温度为16～18 ℃，实测1时的环境温度为24 ℃，实测2时的环境温度为22 ℃，各测点的位移值如图5所示。

根据施工现场对22根吊杆位置的位移实测，在环境温差8 ℃下（整体升温8 ℃），各吊杆位置都是出现了上挠现象，实测最大温度荷载位移值为12 mm（跨中位置）。

以上表明，整体升温荷载作用下，主梁位移都是上挠趋势，而且日照系统温差荷载的影响较大，在整个更换吊杆施工过程中不容忽视。

在该桥实际更换吊杆施工过程中，由于每次更换吊杆施工时间较长，温度差异较大，更换完成后，为了消除温度差异引起的系统误差，应在当日更换完成后的同一工况下，夜间温度稳定时，再次量测各参数，以消除系统误差，更好地指导施工。

3.5 索力优化控制要点

更换吊杆施工过程中，是以施工安全，结构受力安全为主要控制目标。索力优化的控制目标是以结构受力合理，桥面线形舒适美观为目的。即桥面线形优化为主，吊杆力均匀性优化为辅[4]。

（1）二次调索时吊杆张拉对临近吊杆起到卸载作用，但作用范围有限，对远端吊杆几乎没有影响，因此可以利用这一特点降低调索次数。

（2）二次调索可通过优化张拉顺序改善局部受力效果。

（3）拱肋和系杆刚度比会对吊杆张拉产生影响，由于系杆和拱肋的弹性变形，跨中长吊杆在张拉调整过程中会因弹性变形损失掉部分张拉力，拱脚附近刚度相对较大，吊杆力随着千斤顶的张拉而增大。在不引起吊杆索力大幅变化的前提下，通过长吊杆张拉微调可以较显著地改变结构线形。

索力优化应从以下几个方面综合分析：

（1）调索吊杆尽量选择靠跨中位置吊杆。

（2）在调索吊杆位置桥面设置标高控制点，监测位移测量成果。

（3）用索力仪监测索力值变化情况。

（4）在张拉端量测吊杆的抬升量。

（5）监测约束端局部应力。

4 结语

该文以某吊杆拱桥更换吊杆施工的监测工作实例为基础，通过采用 midas Civil分析软件对结构进行仿真计算，并根据现场监测成果适时纠偏，顺利完成了该桥的更换吊杆施工。通过工程实践，得到了以下结论：

（1）文中提出的更换吊杆施工顺序及施工工艺流程是可行的，通过该工艺能够顺利完成更换吊杆施工。

（2）该文提出了更换旧吊杆施工的施工注意要点，为同类型桥梁的旧吊杆更换施工提供了技术支持，保障了结构施工安全，也对该类桥梁的施工监控工作重点和难点具有很好的指导意义。

（3）该文根据理论计算和现场实测，证明了整体升温系统温差荷载效应下，吊杆拱桥线形变化明显，是施工过程中不可忽视的，同时给出了消除系统温差荷载的监测措施。

（4）该文总结了吊杆索力优化如何进行目标控制，同时总结了吊杆索力优化施工的要点和方法。

参考文献

[1]陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工[M]. 北京： 人民交通出版社， 1999.

[2]杨文志. 提篮拱桥吊杆更换研究[D]. 成都：西南交通大学， 2008.

[3]贾宏宇， 雷嘯， 梁斌， 等. 高速铁路大跨度钢管混凝土系杆拱桥温度效应分析[J]. 河南大学学报， 2021（2）： 241-244.

[4]李杰. 钢管混凝土系杆拱桥吊杆力计算及调索方法研究[J]. 铁道建筑， 2014（1）： 7-10.