殷鵬程

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　40063)

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高速鐵路鋼管混凝土系桿拱橋吊桿糾偏分析

殷鵬程

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢40063)

摘要：以高速鐵路上某鋼管混凝土系桿拱橋為實例，分析該橋吊桿偏位的原因及其影響，并對其成橋及運營各時期監(jiān)測索力的差別進(jìn)行判別，采用有限元軟件Midas/Civil建立該下承式鋼管混凝土系桿拱橋的空間有限元計算模型，根據(jù)索力監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果通過迭代計算得出相應(yīng)時期的拱橋狀態(tài)，分析該拱橋在吊桿糾偏工況下的橋梁結(jié)構(gòu)安全及其變形對列車運營安全的影響，并為后續(xù)的糾偏施工給出具體的操作建議，所得結(jié)果可用于指導(dǎo)該橋的吊桿糾偏施工，并可為同類橋梁的施工積累更多的可供借鑒的理論和實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；系桿拱橋；吊桿；糾偏；監(jiān)測索力；運營安全

1工程概況

某高速鐵路主跨為112 m的下承式鋼管混凝土提籃系桿拱橋，采用“先梁后拱”方法施工，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。作為拱梁組合體系，吊桿內(nèi)力的大小直接影響到成橋時結(jié)構(gòu)各部位的線形和內(nèi)力分布[1]。

圖1　某高鐵系桿拱橋結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

拱肋平面內(nèi)矢高22.4 m，矢跨比為1/5，采用懸鏈線線形。拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度為3 m，拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。拱橋吊桿布置采用尼爾森體系[2，3]，吊桿間距為8 m。吊桿均采用127根φ7 mm高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體。

該橋運營后在系梁箱室內(nèi)部檢查時發(fā)現(xiàn)，該拱橋右側(cè)12號吊桿的下錨頭有偏位現(xiàn)象，冷鑄錨的大螺母沒有與錨墊板頂緊，存在約5 cm的空隙，如圖2所示。為確保橋梁使用安全和吊桿結(jié)構(gòu)的耐久性要求，原施工方擬對該吊桿進(jìn)行糾偏處理。吊桿編號見圖3。

圖2　吊桿下錨頭偏位情況

圖3　系桿拱橋吊桿編號(單位：m)

2偏位成因及影響分析

吊桿下錨頭正確安裝時，冷鑄錨的錨杯應(yīng)有一部分伸入鋼套管內(nèi)，方能使螺母頂住錨墊板，使吊桿內(nèi)的高強(qiáng)鋼絲均勻受力。如果下錨頭安裝時，其錨杯未套進(jìn)下鋼套筒里，會導(dǎo)致吊桿下錨頭的錨杯臺階卡在鋼套筒的錨墊板上，從而使螺母無法擰緊。圖4直觀地反映吊桿錨頭在正確安裝和不正確安裝時的承壓情況。

圖4　吊桿下錨頭與錨墊板之間的承壓狀況

對于本橋12號吊桿的下錨頭，由于未正確安裝，錨杯凸臺與錨墊板的承壓接觸面不會大于100 cm2。在設(shè)計成橋恒載索力(1 190 kN)下，其接觸面的壓應(yīng)力將大于119 MPa，與管口交叉點附近的接觸應(yīng)力會更大。另外，由于下錨頭著力點偏心，吊桿張拉后對下錨頭將產(chǎn)生偏心彎矩。在設(shè)計成橋恒載索力下，該偏心彎矩約為119 kN·m。

偏心彎矩將導(dǎo)致吊桿下錨頭上部密封筒(與錨杯連接的鋼管筒)與柔性索體銜接處的微小彎折，該微小彎折可導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼絲束在該處的不均勻受力，形成應(yīng)力集中點，容易導(dǎo)致高強(qiáng)鋼絲疲勞斷裂[4]，如圖5所示。

圖5　吊桿下錨頭變形狀態(tài)預(yù)測示意

3吊桿索力測試情況

本系桿拱橋的吊桿均設(shè)有索力測試用的傳感器，各吊桿在上錨頭均安裝有光纖光柵壓力環(huán)傳感器，在各施工階段及成橋階段對各吊桿都進(jìn)行了索力測試，索力測試結(jié)果由兩家單位分別采用光纖光柵壓力環(huán)傳感器測試法和頻率法獲得[5]。

將實測成橋索力與施工圖設(shè)計索力列表對照，見表1。

從表1可以看出：實測吊桿索力與施工圖中的恒載索力存在差異，不同測試階段及不同測試方法測出的索力也存在差異，對結(jié)果進(jìn)行分析可得出以下原因。

(1) 材料參數(shù)理論值與實際值不同造成的差異[6]

設(shè)計按規(guī)范采用的材料參數(shù)(如材料容重、彈性模量等)理論值與實際值存在差異，造成計算吊桿索力理論值和實際值會出現(xiàn)差值。

(2) 橋面二期恒載不同造成的差異

①本橋施工圖設(shè)計采用的橋面二期恒載為158 kN/m，并由此計算出成橋吊桿索力的理論值。而成橋橋面二期恒載約為122 kN/m(Ⅱ型板)，施工監(jiān)控單位應(yīng)按照實際橋面二期恒載情況計算吊桿索力，并據(jù)此提出吊桿的控制張拉力。

②2010年6月監(jiān)測的成橋吊桿索力和2010年8月監(jiān)測的成橋吊桿索力，該時間段橋面二期恒載還未全部加載完成，還存在部分橋面欄桿沒有安裝，橋上電纜及電纜槽蓋板未安裝完成，此時的橋面二期恒載應(yīng)該不超過102 kN/m。2014年7月監(jiān)測成橋吊桿索力時，此時本橋已通車運營3年，橋面二期恒載約為122 kN/m。

表1　吊桿索力對照　kN

(3)吊桿索力測試方法不同造成的差異

吊桿監(jiān)測由兩家單位完成，分別采用了頻率法和采用光纖光柵壓力環(huán)傳感器測試吊桿索力。兩種測試方法各有利弊，也會存在各自的測量誤差。

鑒于上述情況，在對本橋右側(cè)12號吊桿糾偏施工工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全和梁體變形檢算時，將根據(jù)這3組實測吊桿索力數(shù)據(jù)及其邊界條件進(jìn)行相應(yīng)的計算分析。

4吊桿糾偏檢算

采用空間有限元分析軟件Midas/Civil 2012建立模型，考慮本橋右側(cè)12號吊桿重新張拉糾偏施工為橋梁單側(cè)單根索力的放松和張拉，進(jìn)行計算分析。

系梁、拱肋、橫撐均采用具有考慮剪切變形功能的空間梁單元模擬，吊桿采用空間桁架單元模擬。計算模型共包括438個空間梁單元，48個空間桁架單元?？臻g整體模型幾何外形見圖3。鋼管混凝土采用施工聯(lián)合截面，考慮鋼管與混凝土的共同作用和鋼管內(nèi)混凝土的收縮徐變[7]。

4.1結(jié)構(gòu)安全檢算

各吊桿的初張力及張拉次序按原施工圖設(shè)計實施，各吊桿索力按監(jiān)測索力結(jié)果進(jìn)行迭代調(diào)整[8，9]，并得出各索力狀態(tài)下放松右側(cè)12號吊桿后拱橋的各項結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)，限于文章篇幅，文中僅列出最不利狀態(tài)下的各項結(jié)果。

(1)系梁撓度

在靜活載作用下系梁最大豎向撓度為17.0 mm，撓跨比為1/6 588，滿足規(guī)范要求[10]。

(2)梁端轉(zhuǎn)角

在ZK豎向靜活載作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角為0.69‰、-0.24‰，滿足規(guī)范要求[10]。

(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力(表2)

表2　放松右側(cè)12號吊桿后的恒載及運營狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力　MPa

(4)吊桿索力

放松12號吊桿后，吊桿索力會進(jìn)行重分布，對吊桿索力影響區(qū)域主要集中在12號吊桿附近，對遠(yuǎn)離12號吊桿區(qū)域的吊桿索力影響較小，表3中僅列出產(chǎn)生較大改變的索力對比結(jié)果。從表3可以看出，索力變化幅度最大在17%左右，經(jīng)驗算，索的應(yīng)力在容許范圍內(nèi)[11]。

表3　放松右側(cè)12號吊桿后的索力對比　kN

4.2運營安全檢算

(1)放松右側(cè)12號吊桿前后恒載作用下的梁體變形

放松右側(cè)12號吊桿，系梁會產(chǎn)生微小的扭轉(zhuǎn)變形。恒載作用下，橋面豎向變形情況見圖6，橋面右側(cè)最大豎向變形2.67 mm(下?lián)?，在右側(cè)12號吊桿下錨頭位置；對應(yīng)左側(cè)12號吊桿下錨頭位置橋面的豎向變形0.65 mm(下?lián)?。根據(jù)杠桿原理對兩側(cè)錨點處位移進(jìn)行內(nèi)插，可得12號吊桿處橋面橫向變形及軌道處位移，結(jié)果顯示兩側(cè)軌道的最大變形差僅為0.18 mm。梁體扭轉(zhuǎn)變形引起的兩根鋼軌的豎向相對變形量遠(yuǎn)小于《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621-2014)規(guī)定的每3 m長1.5 mm的限值[10]。

圖6　放松右側(cè)12號吊桿前后恒載作用下系梁豎向變形

(2)放松右側(cè)12號吊桿后右側(cè)單線行車時的梁體變形

本橋放松右側(cè)12號吊桿后考慮右側(cè)單線行車的最不利狀態(tài)，12號吊桿錨固處系梁兩側(cè)的梁體活載變形見圖7。同樣可得出12號吊桿兩側(cè)10號以及12′號吊桿錨固處的系梁兩側(cè)的橫向變形。

圖7　放松右側(cè)12號吊桿前后活載作用下系梁豎向變形

根據(jù)活載及恒載下梁體兩側(cè)的綜合變形值，根據(jù)杠桿原理對兩側(cè)錨點處位移進(jìn)行內(nèi)插，可得出左右線的軌道變形情況，見表4。

由表4可看出，放松右側(cè)12號吊桿后，在恒載和活載作用下的軌道變形：

表4　各吊桿錨固處橋面橫向變形　mm

左、右線10～12號吊桿之間(8 m節(jié)間)兩根鋼軌的軌面變形差均約為0.3 mm；

左、右線12～12′號吊桿之間(8 m節(jié)間)兩根鋼軌的軌面變形差均約為0.7 mm；

梁體扭轉(zhuǎn)變形引起的兩根鋼軌的豎向相對變形量遠(yuǎn)小于《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)規(guī)定的每3 m長1.5 mm的限值[10]。

5糾偏注意事項

(1)因僅對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計算，雖然放松右側(cè)12號吊桿后不影響列車通行，為確保線路的正常(高速)運行，宜在一個“天窗”時間內(nèi)完成右側(cè)12號吊桿放松和糾偏張拉工作。

(2)吊桿糾偏張拉前，應(yīng)在下錨頭螺母和錨墊板之間設(shè)置臨時楔形鋼墊塊，避免張拉時吊桿下錨頭滑脫。

(3)拱上張拉設(shè)備(包括：千斤頂、螺桿、墊腳、扁擔(dān)梁、臨時螺母等)若不能在一個“天窗”時間內(nèi)安裝或拆除完成，應(yīng)在拱上綁扎牢固，避免任何設(shè)備墜落影響行車安全。

(4)吊桿放松后，應(yīng)檢查吊桿下錨頭的錨杯與密封筒銜接部是否有損壞、檢查密封筒與索體銜接部的密封圈是否損壞；若有損壞，應(yīng)考慮先更換該吊桿。為避免影響線路正常運營，在吊桿放松施工的“天窗”時間內(nèi)，應(yīng)將該吊桿糾偏，并按放松前的索力先張拉到位；在安排重新制造的吊桿到位后，再進(jìn)行吊桿更換。

(5)吊桿糾偏安裝到位后，吊桿套管內(nèi)的阻蝕密封膏應(yīng)重新填注，吊桿減振器、防水罩按原施工圖設(shè)計的要求重新安裝到位[12]。

6結(jié)論

(1)按吊桿理論索力和3組實測索力，在考慮放松右側(cè)12號吊桿的情況下，分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢算，包括活載撓度、活載梁端轉(zhuǎn)角，包括系梁、拱肋鋼管和管內(nèi)混凝土在恒載、主力及主+附組合情況下的應(yīng)力。計算結(jié)果表明，各項指標(biāo)均在設(shè)計規(guī)范的允許范圍內(nèi)[8]。

(2)在恒載作用下，放松右側(cè)12號吊桿時，系梁會產(chǎn)生微小的扭曲變形。在同一個橫截面處，橋面左、右兩側(cè)的豎向位移差不大于2.0 mm；內(nèi)插到左、右線路中心，豎向位移差不大于0.2 mm。計算還考慮了最不利梁體扭轉(zhuǎn)變形的荷載工況，即放松右側(cè)12號吊桿后右側(cè)單線行車。該工況下，橋面左、右兩側(cè)活載豎向位移的最大差值為3.6 mm；內(nèi)插到左、右線路中心，豎向位移差不大于0.7 mm。疊加恒載變形后，左、右線路中心的豎向位移差累計不大于0.9 mm。對同一條線路的兩根鋼軌，其豎向變形差滿足設(shè)計規(guī)范的限值要求[7]。

(3)以某高速鐵路鋼管混凝土系桿拱橋吊桿糾偏實例為背景，通過分析其吊桿偏位的成因、影響、索力監(jiān)測數(shù)據(jù)差異等各項因素，對該拱橋在吊桿糾偏工況下的橋梁結(jié)構(gòu)安全及運營安全進(jìn)行了計算和評價，并對后續(xù)糾偏施工給出操作建議和指導(dǎo)。后續(xù)工作將以施工監(jiān)控實測值為基礎(chǔ)，對理論計算結(jié)果進(jìn)行校核。

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Analysis on Rectification of Tied Concrete-filled Steel Tubular Arch Bridge on High-speed Railway

YIN Peng-cheng

(China Railway Siyuan Survey and design Group Co.， Ltd.， Wuhan 40063， China)

Abstract：This paper discusses the cause and influence of the rectification of the tied concrete-filled steel tubular arch bridge suspender of high-speed railway and confirms the differences of suspender tensile forces measured in different periods. The finite element program MIDAS/Civil is used to establish the spatial finite element calculating models of the concrete filled steel tubular arch bridge and the measured suspender tensile force is used to define the corresponding state of the arch bridge by way of successive iterations. The influence of suspender rectification on the safety of bridge structure and train operation is analyzed and specific operation suggestions are offered. The calculating results can be used to guide suspender rectification of arch bridges and provide adoptable theories and practical references for the construction of similar bridges．

Key words：High-speed railway; Tied arch bridge; Suspender; Rectification; Measured suspender force; Safety of train operation

中圖分類號：U238； U448.22+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.011

文章編號：1004-2954(2016)04-0043-04

作者簡介：殷鵬程(1983—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:pcyin0609@163.com。

收稿日期：2015-08-12； 修回日期：2015-09-05