系杆拱桥施工控制中的调索技术*

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1 工程概况

某系杆拱桥跨径58 m，桥面宽38.5 m。主桥结构形式为下承式系杆拱桥（简支梁拱组合体系）。系杆拱桥通过在系梁内施加预应力，抵消拱肋推力，以使桥墩无需受推力。

2 根相互平行拱肋采用钢箱截面形式，插入混凝土拱脚。采用钢绞线整束挤压吊杆，每个吊点处横向布置双根。上吊点即拱肋端吊点采用耳板式，下吊点即梁端吊点锚固于系梁底面，为张拉端，锚固系统采用整束挤压拉索锚具，对称张拉，即每次同时张拉8 根吊杆4 个吊点。桥梁与吊杆布置如图1。

图1 吊杆布置

施工步骤为：满堂支架现浇主梁→吊装拱圈节段，在主梁上搭设支架现场焊接连接拱肋→拆除拱肋支架→初次张拉吊杆→拆除满堂支架→二次张拉吊杆至设计值。

其中，吊杆的张拉是本桥施工中的关键步骤。张拉力的大小及张拉顺序的选择需保证各构件尤其是混凝土构件的安全性，同时保证施工完成时达到设计要求的成桥状态。

2 初次张拉吊杆

按张拉方案初次张拉力，卸除满堂支架后，按频率法测得索力见表1。

表1 吊杆初张卸架后索力（单位：kN）

表中数值为吊点处2 根吊杆合力。检查系梁底部发现局部结构性微裂缝，尤其在DG3/6和DG4/5底部梁段为多。根据裂缝外观，推测其应在张拉吊杆之前还在支架上即已形成，与施工单位沟通，推断应是过早拆除支架一部分横向联系杆件所致。

由此，后续的二次张拉方案，必须考虑主要满足如下条件：

（a）张拉过程中保证DG3/6和DG4/5吊杆张力，不应比现阶段减少过多；

（b）系梁最大拉应力不应比现阶段大；

（c）拱脚混凝土不出现过大拉应力；

（d）拱肋应力控制在容许范围内；

（e）在张拉过程中索力满足规范安全系数；

（f）最终索力达到设计要求。

3 二次张拉吊杆方案[1-6]

采用桥梁结构分析软件Midas/Civil建立本桥系杆计算模型，见图2。其中，吊杆采用桁架单元，其余为梁单元。桥面系用梁格模拟。

提取吊杆张拉影响系数矩阵，见表2。

图2 Midas/Civil计算模型

表2 吊杆张拉影响系数矩阵

该系数矩阵含义如DG4/5这行，表示增加DG4/5单位力，对其他吊杆的影响数值，即DG3/6吊杆力将减少0.86，而DG1/8吊杆力却增加0.08。从该影响系数矩阵中，可以得出如下规律：

（a）张拉吊杆只对旁边的吊杆有较大影响，对比较远的索影响甚少，如DG4/5的张拉对DG1/8的索力几乎无影响，同样DG1/8的张拉对DG4/5也几乎无影响；

（b）DG4/5的张拉将使DG3/6的吊杆力大幅度减少，而DG3/6的张拉对DG4/5的影响相比而言就小的多。

综合需满足的控制条件及上述规律，试算后初步确定先张拉吊杆DG3/6，再张拉DG4/5。二次张拉开始步骤为：张拉DG3/6至800 kN→张拉DG4/5至1 200 kN→张拉DG3/6至1 200 kN→张拉DG4/5至1 600 kN→张拉DG3/6至2 000 kN→张拉DG4/5至2 400 kN。

优先及反复张拉DG3/6与DG4/5的目的，是为了满足上述的控制条件第（a）、（b）条，使处于微裂缝较多梁段的DG3/6与DG4/5吊杆始终处于较高的拉力水平，防止裂缝的进一步发展。

将上述张拉力输入Midas/Civil计算模型试算，发现系梁应力与拱肋应力均能满足要求，但在第5步之后拱脚内侧出现较大拉应力。因此在第4步之后，先张拉拱脚处吊杆DG1/8，再接着张拉中间吊杆。而DG1/8的张拉对中间吊杆的影响甚少。在此基础上，后续调索阶段，关键的DG3/6与DG4/5吊杆将始终维持在较高拉力水平，而拱脚处也由于DG1/8的张拉而始终处于受压状态。

另外，将1～4步，及DG1/DG8的张拉力代入Midas/Civil计算，吊杆力结果见图3。

此时，DG2/7的索力接近0，即DG2/7将基本处于松弛状态。注意，这时候的影响系数矩阵由于DG2/7退出工作，结构刚度改变，则影响系数矩阵也将改变。

在计算模型中钝化DG2/7吊杆，提取退出工作的吊杆张拉影响系数矩阵见表3。

图3 Midas吊杆力计算结果

表3 DG2/7退出工作的影响系数矩阵

比较表2与表3，可知由于DG2/7的退出，DG3/6与DG4/5的相互影响变大，比如增加DG4/5单位力，DG3/6吊杆力将减少0.9；增加DG3/6单位力，DG4/5吊杆力将减少0.54。但总体来说，影响系数变化不是很大。因此，在试算阶段，依然可以统一使用表2系数进行手算估计。详细的计算可最终在Midas/Civil中进行。

以后的张拉步骤，既可以使用手工试算，也可利用Midas/Civil中的未知荷载系数法，顺利求解达到设计状态的各个阶段索力。二次张拉最终张拉方案见表4。

表4 二次张拉最终方案

检查计算模型每个施工阶段结果，均能满足要求。

图4、图5分别示出第3、 8张拉阶段的理论吊杆力。

图4 第3张拉阶段吊杆力

图5 第8张拉阶段吊杆力

如图6、图7所示，出最终阶段系梁和拱肋的应力图。

图6 最终张拉阶段系梁应力

图7 最终张拉阶段系拱肋应力

可知在最终阶段，系梁与拱肋最终都处于纯压状态。

以该方案指导施工，该桥顺利完工，最终实测成桥索力与理论值见表5。由表可见，成桥阶段索力实测值与理论值吻合较好，误差基本在5%以内，满足设计要求。

表5 成桥索力

4 结语

施工控制中索力的调节，需根据现场实际情况制定相应的调索方案。本文利用吊杆张拉的影响系数，综合考虑需满足的各种关键条件，采取手工调索与软件调索相结合的办法，制定出调索方案，既满足了该桥施工过程裂缝控制这一特殊要求，又满足了其他的普遍条件，达到良好的施工控制效果。