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来源：职称驿站所属分类：交通运输论文 发布时间：2012-07-30浏览：61次
摘要：我国部分省市修建吊杆拱桥数量较多，吊杆寿命影响着桥梁安全，本文以工程实例，主要介绍吊杆更换中监控实施方法
关键词：旧桥加固、吊杆更换、监控
1概述
1.1原桥工程概况
该桥主跨为飞燕式无推力中承式钢管混凝土系杆拱桥，其主孔跨布置为46m＋202m＋46m，主桥宽26.2m，引桥宽22.5m。设计荷载标准：汽－20,挂－100。
本桥主拱肋为4-Φ750钢管混凝土构件，主拱肋中距17.55m，拱轴线采用高次抛物线，矢跨比为f/L=1/4.5。桥面系以上拱肋断面高3.5m，宽2.05m，拱肋内填充40＃混凝土，为实心截面；桥面系以下拱肋断面高3.6m，宽2.15m，钢管拱肋外包40＃混凝土，为空心箱形截面。
吊杆为高强平行钢丝束，外套PE防护材料，纵向间距为5.1米为主；每根吊杆钢丝束由144根直径Φ5钢丝构成。采用镦头锚分别锚于主拱肋的上缀板及横梁的下缘，并以横梁的下端作为张拉端以调整桥面标高。恒载作用下，一根吊杆横梁所受的力为1494KN，每根吊杆分担747KN。
1.2加固工程概况
由于“5.12”汶川大地震的影响，桥梁局部受到损伤。通过检测，该桥需要进行加固处理，其中最为关键的加固处理为全桥吊杆更换。
本桥更换后新吊杆采用环氧喷涂钢绞线整束挤压，整体张拉技术，具有锚固可靠，结构尺寸紧凑，张拉调索方便，防腐性能好的特点。
新吊杆为OVM.GJ15-19钢绞线整束挤压式可调可换的新型吊杆，锚具采用OVM.GJ15-19钢绞线整束挤压锚具（包括球铰支座），钢绞线上端采用锚碇管将其压制锚固，并制作出外螺纹，用螺母锁紧，为弹性好，安全性高的锚索，钢绞线下端采用挤压锚头和螺杆连接，螺杆段下端利用锚头和螺母紧固，此端作为调节桥面标高一端；全桥共33对66根吊杆，长度为6.913～34.645m（此为图纸理论数据），共重42.271T，锚具共132套；全桥被替换的旧吊杆钢丝为35.149T。
吊杆更换是本次维修加固成功的关键，吊杆更换施工主要过程及步骤如下：
1） 现场施工准备；
2） 新吊杆长度确定；
3） 临时吊杆体系安装;
4） 卸除原吊杆；
5） 清理预埋管；
6） 新吊杆的安装；
7） 新吊杆的张拉；
8） 卸除临时吊杆；
9） 吊杆索力调整；
10）吊杆附件安装及防护；
11）重复以上步骤直至全桥吊杆更换完毕；
12）全桥吊杆索力调整；
13）完成桥面铺装和其他附属设施。
为保证维修加固工程安全按时完成，并使工程质量满足设计要求及国家相关规范和标准，同时收集必要的数据、资料和报告，满足后期对该桥交工验收和桥梁正常安全运营的需要，进行了专项施工监控技术服务。
全桥布置图及主桥主要横断面结构示意图如图1-1和图1-2所示；
图1-1桥型布置图（单位：cm）
图1-2主桥主要截面断面图（单位：cm）
2施工监控实施过程简述
2.1施工监控目的和目标
大桥吊杆更换工程的主要监控目标和项目是：
1）校核主要设计参数、施工控制结构分析及各关键施工阶段稳定性验算；
2）对施工各状态控制数据实测值与理论值进行对比分析，进行设计参数鉴别与调整；
3)对结构线形、内力(或应力)及结构位移进行监控，确保施工高质安全快速地进行；
4)各施工阶段的监测项目主要包括：施工过程中拱圈及横梁的应力监测；吊杆更换时主桥桥面及主拱圈主要截面标高测量；施工临时荷载作用下和张拉新系杆时墩顶位移的监测；施工期间吊杆张拉力的监测。
2.2位移测点布置及桥梁线形监测细则
如前所述，主桥吊杆更换施工可分为13个施工步骤。按照设计的施工顺序，在每一施工阶段，每一施工步骤，分别进行吊杆、拱肋和横梁的应力与变位测试。
拱肋应进行空间变位测试，重点是各测点的竖向位移、拱脚的水平位移、拱顶的侧向位移，以确保成桥状态拱肋的空间位置和受力状态满足设计要求。吊梁重点测量竖向位移，以确保成桥线形。
1）桥面高程测点布置与测试方法
选择沿主桥跨度的1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8截面处设置测点。高程控制网依托大桥已建立的控制网点，采用三等水准测量的方法，选择合适的固定高程控制点，并以此作为施工过程中标高观测的基准点。
基准点及高程测点采用φ16钢筋在竖直方向与系杆内的钢筋网电焊牢固，并要求竖直，测点（钢筋）露出箱梁表面1cm，每根测点钢筋下料长度为35cm。钢筋头外露长度不宜过长，以免在施工过程中被撞歪或损坏，钢筋头顶面应磨平并用红油漆标记。
如图所示，每片拱肋下共计7个测试截面，每个测试截面设置一个测点，即一片拱肋对应7个测点；全桥共计2片拱肋，合计14个高程测点。截面测点布置示意图如图2-1所示，系杆变位测点标号为GC-a-b其中，GC指桥面高程变位，a为拱片编号，b为测点编号。
2）拱肋变位测点布置与测试方法
在拱肋上吊点位置处设置拱肋变位测点。每根拱肋共计7个测点，全桥共计2根拱肋，合计14个拱肋变位观测测点。截面测点布置示意图如图2-2所示。拱肋位测点标号为GL-a-b其中，GL指拱肋变位，a为拱片编号，b为测点编号。
在进行结构变形、变位的观测的同时，在施工期间每天7:00、14:00、17:00对环境温度进行监测，并做好测试记录，绘制温度曲线。
施工过程中的结构变形、变位观测以闭合路线的形式进行。为了克服温度变化所引起的对结构变形的影响，固定观测时间十分重要，一般应选择在清晨7:00（春、冬季）或6:00（夏、秋季）以前完成外业测量
桥面高程变位测量按照国家三等水准测量的要求进行，要求采用DS-2水准仪配套FS-1平板测微器进行测量，拱肋变位测量采用全站仪进行测量。
图注：
图2-1全桥位移及应变测试截面布置图
图2-2拱肋变位测试截面布置图
2.3应力传感器布置与测试方法
拱肋及横梁应力测试采用适用于长期应力应变监测的钢弦应变传感器，配套高精度频率采集仪进行现场应力采样。应变传感器由施工单位配合监控单位进行埋设，由监控单位独立进行应力监测工作。
1）拱肋应力传感器布置与测试方法
拱肋选择拱脚，1/4拱，拱顶，3/4拱，拱脚5个截面，进行施工过程的结构应力监测。每根拱肋共计5个测试截面，每个测试截面上设置8个测点，一根拱肋共计40个测点；全桥共计2根拱肋，合计80个应力观测测点。拱肋应力测试截面布置如图2-1所示，各截面测点布置示意图如图2-2所示。
（a）拱顶截面测点布置（b）拱脚截面测点布置
图2-3拱肋应力测点布置及编号
2）横梁应力传感器布置与测试方法
横梁对于全桥的整体性和成桥后结构受力都起着至关重要的作用。按照设计的吊杆更换施工方法，两根被换吊杆（上下游对称）的索力将通过贝雷梁由顺桥向相邻的前后两根横梁承担，导致横梁荷载水平明显大于正常恒载水平，有必要对其应力进行监控。选择第一根试换吊杆前后相邻的横梁进行施工过程的结构应力监测。在横梁跨中截面布置应变测点，测试截面及测点布置示意图如图2-4所示。每根中横梁设置10个应力传感器，全桥取两根横梁进行监控，共计20个。
图2-4横梁应变测点布置图
3）吊杆索力测试方法
吊杆索力采用千斤顶油表读数、振动方法两种方法互相校核进行测试，确保测量结果的准确性。在张拉过程中，采用千斤顶油表读数和振动方法互相校核的方法，确定张拉索力大小。对于成桥状态所有吊杆都采用振动方法进行测量，以保证成桥时吊杆索力达到设计要求。
另外，在施工过程中临时吊杆对结构的整体稳定性和受力起了很大的影响，应对其进行监控。为保证监控精度，对每根临时吊杆都安装传感器进行实时应力监控。吊杆布置示意图如图2-5所示。
图2-5主桥吊杆布置及编号
2.4关键工序分析实施细则
2.4.1吊杆施工张拉索力的复核、优化及张拉过程监测与控制
设计图纸给出的吊杆施工张拉顺序和张拉力是基于设计理想状态计算得到的。实际施工过程与设计参数误差是引起桥梁施工误差的主要因素之一。所谓设计参数误差，就是在进行桥梁结构理论分析时所采用的理想设计参数值与结构实际状态所具有的相应设计参数值的偏差。由于这种设计参数误差的存在，使通过结构分析而得到的桥梁结构的理想状态与施工后的结构实际状态之间存在误差。在施工监控过程中，需要根据实测参数，对吊杆张拉过程进行分析，根据分析结果，对设计给定的张拉力进行调整。这也是对设计的一个复核和优化。
2.4.2成桥状态桥梁整体内力状态的监测
为了保证桥梁受力合理，实现设计意图，需要了解成桥时桥梁的内力状态。借助前期布置在系梁、拱肋中的传感器对系杆、拱肋应力状态进行监测。采用频率法或应变法对吊杆索力进行监测。通过上述监测，实现对成桥状态桥梁实际受力状态的全面把握。
3吊杆更换前主要监控工作
(1) 拱肋、横梁、桥面和吊杆的传感器布置及几何现行测点布设；
(2) 恒载作用下原桥拱轴线及桥面高程等控制性几何线形指标的测量；
(3) 吊杆更换工程中结构安全性和稳定性验算。
3.1传感器布置
应力传感器布置时，根据实际条件，选择适宜的时机进行传感器安装和调整。
3.1.1拱上各测点布置
拱肋选择拱脚，1/4拱，拱顶，3/4拱，拱脚5个截面，进行施工过程的结构应力监测。每根拱肋共计5个测试截面，每个测试截面上设置8个测点，一根拱肋共计40个测点；全桥共计2根拱肋，合计80个应力观测测点。拱肋应力测试截面布置如图2-1所示，各截面测点布置示意图如图2-2所示。
3.1.2横梁传感器布置
选择第一根试换吊杆前后相邻的横梁进行施工过程的结构应力监测。在横梁跨中截面布置应变测点，测试截面及测点布置示意图如图2-4所示。每根中横梁设置10个应力传感器，全桥取两根横梁进行监控，共计20个。
3.1.3吊杆传感器布置
传统测试索力的方法有：千斤顶油表法、振动法、压力传感器法等。鉴于本桥吊杆的特殊性，对临时吊杆采用振弦式应变计实测吊杆套筒应变，对于柔性吊杆采用振动法进行测量。
3.2原桥几何线形测量
3.2.1拱轴线的测量
拱肋应进行空间变位测试，重点是各测点的竖向位移、拱脚的水平位移、拱顶的侧向位移，以确保成桥状态拱肋的空间位置和受力满足设计要求。桥面重点测量竖向位移，以确保成桥线形。
3.2.2桥面高程的测量
高程控制网依托大桥已建立的控制网点，采用三等水准测量的方法，选择合适的固定高程控制点，并以此作为施工过程中标高观测的基准点。
3.3结构安全及稳定性验算
在吊杆更换前，监控单位针对不同的吊杆更换顺序方案进行了理论分析，并对设计和施工单位提出的吊杆更换施工方案进行了优化。
3.3.1模型的建立
采用空间有限元模型（见图4-1），对主桥吊杆更换施工过程进行了仿真分析，单元和关键参数的选择如下：
图3-1全桥空间有限元模型
3.3.1.1单元的选取
对于拱肋、横梁、劲性骨架均使用空间梁单元进行模拟。
对于吊杆、系杆及拱上立柱均采用空间杆单元进行模拟。
3.3.1.2材料的本构关系
主拱钢结构的材料本构属性为：
Q235钢材：弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，线膨胀系数6.6667×10-6，容重76.98kN/m3。
Q345钢材：弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，线膨胀系数6.6667×10-6，容重76.98kN/m3。
拱肋及横梁混凝土的材料本构属性为：
C40砼：弹性模量3.25×104MPa，泊松比0.2，容重26kN/m3。
3.3.2静力计算结果
3.3.2.1拱圈
吊杆更换施工过程中，拱圈在结构恒载及施工临时荷载作用下的具体计算结果摘要见图3-2所示，图中位于拱肋下缘的弯矩图数值为负，反之为正。
图3-2拱圈弯矩图（单位:kN*m）
贝雷梁桁架应力云图见图3-3所示，可见下弦杆最大拉应力为10.38MPa，位于跨中处。上弦杆最大拉应力为13.55MPa，位于吊点位置处。
图3-3贝雷梁桁架上弦杆应力云图（单位:Pa）
3.3.3屈曲稳定分析结果
贝雷梁桁架在吊装过程中可能发生压曲失稳，故需要进行稳定性分析。屈曲分析是基于在自重作用下的结构稳定分析，故屈曲分析的荷载就是自重。取前四阶模态进行分析，其特征值见表3-7，其一阶失稳模态见图3-4。
表3-7贝雷梁桁架前4阶模态特征值
模态 特征值
1阶 16.698
2阶 17.696
3阶 19.567
4阶 20.014
图3-4贝雷梁桁架失稳模态1（俯视图）
通过上面计算分析，由结构静力和屈曲分析的结果可知：吊杆更换施工过程中，各工况下主要构件应力状态和稳定性均可以满足要求。
4监控结果
1、对本桥吊杆更换施工全过程的受力性能和稳定性进行了仿真分析，根据仿真分析结果，对吊杆更换施工过程提出了合理化建议和注意事项。顺利完成了全桥吊杆更换施工，施工过程安全、准确，与监控工作计算结果基本一致，表明监控计算结果是正确的。
2、监控项目组通过布设传感器及几何观测点对本桥吊杆更换施工全过程中关键结构及构件的应力和线形变化情况进行了监控，监控结果表明：结构应力符合设计要求，拱肋线形、桥面高程等技术指标均满足规范规定。
综上所述，本桥监控工作保证了全桥吊杆更换施工满足设计和相关规范要求，施工过程安全，施工过程和成桥内力和线形符合设计要求，达到了设计意图。
《拱桥更换吊杆专项施工监控与分析》
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文章名称： 拱桥更换吊杆专项施工监控与分析
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