体系转换施工策略优化

体系转换施工是大沽桥由施工状态向成桥状态转换的重要环节。体系转换主要包括系杆、吊杆的安装及张拉、拱肋支架的拆除、施工平台顶部沙漏的拆除等工作。体系转换施工的关键点是吊杆张拉。索支承桥梁结构吊杆的张拉与调整是桥梁设计与施工的关键，关系到施工期和成桥后结构的受力状态及安全性。

2.4.2.1　吊杆张拉方法优化

大沽桥空间结构的复杂性决定吊杆张拉方法的独特性。基于此，利用吊杆张拉影响矩阵和泛函极值原理，提出优化的吊杆张拉方法，只对局部吊杆的索力进行拆分及多次张拉，从而使大部分吊杆仅经过一次张拉就能达到目标索力。以系杆拱为例说明吊杆张拉优化方法的基本原理。

设BF（i）为结构中第i 号吊杆的初始索力，可以由拆架、指定初张力等条件确定，一般为已知的。PF（i）为第i 号吊杆的理想目标索力，由结构优化得到。

当采用一个千斤顶进行吊杆张拉时，索力控制方程按图2 -32 所示步骤建立。

为了从初始索力BF（i）达到目标索力PF（i），必须对第j 号吊杆增加张拉力x j。根据叠加原理，每根吊杆张拉完成后，第i 号吊杆的索力为

式中　n —— 结构中吊杆根数；

f i j ——对结构中第j 号吊杆施加单位张拉力，即x j =1时，在第i 号吊杆上产生的吊杆响应力，即“影响矩阵”；

x j ——张拉时，基本体系中第j 号吊杆的张拉力增量；

BF（i）——第i 号吊杆的初始索力；

PF（i）——第i 号吊杆的理想目标索力。

图2-32　索力控制方程的建立过程

式（2-1）满足张拉过程中索力的要求，由于未知量x j的个数与方程组的阶数相同，因此能够唯一解出张拉力增量xj。如果存在附加位移条件或截面内力条件，则可列出下列方程。

1）位移约束条件

2）截面内力约束条件

式中　BG（i）——第i 号结点的初始位移；

gi j ——对结构中第j 号吊杆施加单位张拉力，即x j =1 时，在第i 号结点上产生的位移响应值，即“位移影响矩阵”；

PG（i）——第i 号结点的理想目标位移；

BM（i）——第i 号截面的初始内力；

mi j ——对结构中第j 号吊杆施加单位张拉力，即x j =1 时，在第i 号截面上产生的内力响应值，即“内力影响矩阵”；

PM（i）——第i 号截面的理想内力；

ng ——要满足位移约束条件的结点数；

nm —— 要满足截面内力约束条件的截面数。

由以上分析可知，未知变量xj 共n 个，而方程个数为（n +ng +nm）个，方程个数大于未知数个数，无法获得唯一解。

因此，应建立一个泛函来求解，泛函的建立通常采用最小误差理论。以Δεi f 表示索力的误差，Δεi g 表示位移值的误差，Δεim 表示截面内力值的误差。

于是式（2-1）索力的误差为

式（2-2）位移值的误差为

式（2-3）截面内力值的误差为

引进惩罚参数βf，βg，βm，形成泛函：

其中，I 代表误差的绝对值。

当误差I 最小时，由

，建立n×n的力程组，进而得到各吊杆力增重x j的唯一解。惩罚参数取值越大，该项误差越小。

由式（2-1）求得的x j是索力增量，不是施工张拉力。索力增量与施工顺序无关，只与张拉过程中结构的基本体系有关，而施工张拉力却与施工顺序密切相关。在实际施工中，往往期望得到吊杆的施工张拉力，因此必须先确定吊杆的施工张拉顺序，进而在这一特定施工顺序的基础上得出吊杆的施工张拉力。

吊杆施工张拉力求解过程如图2-33 所示。

张拉过程中，每次张拉一根吊杆，张拉施工顺序从左侧拱脚开始依次张拉至右侧拱脚。由式（2-1）计算得到第j 号吊杆的张拉力增量为x j，则第1根吊杆的施工张拉力T 1 为

第2 根吊杆的施工张拉力T 2 为

同理，第i 根吊杆的施工张拉力T i 为

最后一根吊杆（即第n 根吊杆）的施工张拉力为

图2-33　吊杆施工张拉力求解过程

按照上述各式得到的施工张拉力进行张拉后，各吊杆的索力均可达到理想目标索力。一般从拱脚开始单侧张拉的顺序是不合理的，应依据结构受力合理、施工方便等原则，首先确定较为合理的施工顺序。

以上仅是求解施工张拉力的一个示例和理论证明。由式（2-1）求得各吊杆由初始索力BF（i）至理想索力PF（i）的增量x j，由式（2-10）可以求得在某个施工顺序下各吊杆的施工张拉力Tj。通常采用这种方法得到的部分吊杆施工张拉力非常大，实际施工无法实现，若采用现在常用的分级分批方法，则会占用大量的施工资源和时间。

针对上述问题，在式（2-1）和式（2-10）的基础上，提出“拆分张拉”的吊杆施工优化方法，以得到简化、合理的吊杆张拉施工步骤。

“拆分张拉”的吊杆施工优化方法是指将按式（2-1）及式（2-10）求得的施工张拉力中大于结构（或设备）最大设定索力的吊杆索力进行“拆分”，把这些吊杆的张拉过程分为两次或多次进行，从而使在调整后的张拉过程中，整个吊杆张拉中没有大于结构（或设备）最大设定吊杆力的吊杆，同时也使吊杆张拉的工序较少，时间较快。

吊杆的“拆分张拉”方法“拆分”了吊杆的张拉力增量x j，即

，在拆分后的基础上，重新求解施工张拉力。实际上，该方法是不断调整基本体系初始索力BF（i）的过程，即先完成张拉力增量及其余不进行拆分的吊杆的张拉力增量，得到新的初始索力BF（i），然后在新的初始索力BF（i）的基础上，再完成张拉力增量，从而实现理想目标索力。

通过如图2-34 所示的等价性来说明“拆分张拉”吊杆施工优化方法的基本原理（图2-35）。根据叠加原理，上述两种方法的基本原理是等价的。张拉力增量x j 计算得到的施工张拉力T j难以实施，而将张拉力增量x j拆分为

后，计算得到的施工张拉力Tj相应为和，由于两者均小于吊杆的最大设定拉力，因此在施工中均能实施。

上述两种方法中各吊杆的施工张拉力是完全不同的（拆分的是张拉力增量，而不是施工张拉力），需要另外求解各吊杆的施工张拉力。

图2-34　张拉力增量“拆分”示意图

大沽桥的大、小拱主拱圈均外倾，吊杆共有88 根，为空间四索面布置，其中内侧吊杆均为25 根，大拱侧外侧吊杆为23根，小拱侧外侧吊杆为15 根。在吊杆根数及索力上，大拱和小拱的内外侧吊杆力极不平衡。拱圈外倾是大沽桥最显著的特点，外倾的拱圈造成在吊杆施工之前无法拆除支架，吊杆的张拉必须同时考虑支架的稳定性和受力安全性。

由于大沽桥为高次超静定体系，单根吊杆的调整会引起其余吊杆受力的改变，重复多次的调整可能导致无法达到施工目标。同时，也在施工设备移动、张拉工作及实际吊杆力测量等方面耗费大量的人力和物力。所以，寻求最佳的张拉顺序，采用合理的吊杆张拉力，对大沽桥的吊杆张拉工作至关重要。

图2-35　“拆分张拉”吊杆施工优化方法的基本原理

在大沽桥吊杆张拉施工期间，运用吊杆“拆分张拉”的概念，对吊杆张拉力和张拉顺序进行反复优化，使大沽桥内侧共50 根吊杆仅经过三次张拉即达到设定的吊杆力，外侧全部38根吊杆只经过一次张拉即达到设定的吊杆力，大大减少施工步骤，缩短施工工期。

2.4.2.2　技术难点分析

（1）系杆的整个安装及张拉过程始终处于狭小空间内，系杆长度较长，达到109 m，且每组系杆均穿过钢箱梁内的转向器进行弧形张拉。

（2）不同部位的吊杆张拉终应力不同，在整个张拉过程中，各部位的吊杆索力衰减也不同，整个吊杆张拉过程的分步与每步中每根吊杆张拉力大小的确定都需要大量的计算才能得到。为保证拱肋受力及桥身位移的对称性，每根吊杆张拉力控制都需要非常精确，张拉时始终要保持对称编号吊杆的同步对称张拉。

（3）由于大、小拱在拼装及合龙后具有应力重分布的情况，每个拱托的受力情况各不相同。张拉过程中，大、小拱肋均发生向行车道方向的偏移，因此在拱托拆除前与拱肋之间部分脱离、部分压紧。拱托解除约束后，拱节本身向外侧发生位移。拆除拱托时，要防止拱因受力不均而产生不对称变形，因此必须按顺序同时对称拆除拱托。

（4）部分八三墩支架较高，距离施工栈桥较远，最小作业半径为12 m，当拆除八三墩支架时，吊装作业半径较大、高度较高，吊装过程中要避免损伤吊杆。

2.4.2.3　体系转换施工准备

为保证体系转换施工的顺利进行，首先对体系转换全过程拱肋及箱梁体系的受力情况进行分析，设计简便、合理、安全的体系转换工艺流程。其次做好体系转换施工前各项准备工作，具体如下：

（1）大、小拱焊接合龙完成后，测量全拱及全桥各个控制点的空间坐标，为体系转换过程的位移控制提供原始数据。

（2）进行大、小拱的防腐喷涂处理，同时拆除环拱脚手架，为吊杆的安装及张拉工作扫除障碍并提供作业空间。涂装及拆除工作由拱顶向拱脚方向进行。

（3）进行大、小拱位移片的布置，作为监测拱肋位移变化的控制点。

（4）位移片布置完成后，除用于支撑拱托结构的八三墩杆件外，拆除所有对吊杆安装、张拉有影响的八三墩杆件。

（5）对大、小拱的拱脚围板进行焊接，同时在拱托底板上用红油漆标记出拱托紧固螺栓的位置。围板焊接满足设计要求后，按由拱顶到拱脚的顺序将拱托螺栓放松，但不得拆除，以避免张拉过程中螺栓滑落。将所有紧固螺栓放松后设专人观测拱托有无滑动现象，量测滑移距离并重新标记。通过监测拱托位移的变化，分析拱肋变形和位移情况。

（6）进行大、小拱内外侧吊杆挂索和系杆安装，准备张拉施工。

2.4.2.4　体系转换施工

1）吊杆挂索

由于吊杆采用热挤聚乙烯高强平行钢丝拉索，聚乙烯外皮在挂索时很容易损坏，因此在挂索时采用软绳吊装。对于位置较低的吊杆，采用25 t 吊车安装，对于位置较高的吊杆，采用5 t 卷扬机和转向滑轮进行安装。在安装过程中，如遇到八三墩、脚手管等障碍物，采用2 t倒链调节方向。将吊杆的锚头和拱节的吊耳用钢销连接。挂索完毕后开始安装吊杆的张拉锚具，先将吊杆穿过马蹄铁和索道管，由于吊杆的自重很大，因此采用5 t 卷扬机、转向滑轮和2 t 倒链进行穿索，然后将锚具拧紧准备张拉。

2）系杆安装

由于系杆穿过27 节钢箱梁横隔板，每节钢箱梁横隔板设置4 个转向器，在每节钢箱梁横隔板安排现场人员一名，按数字顺序穿索，大沽桥大、小拱系杆编号如图2-36 所示。现场系杆安装施工如图2-37 所示。

3）工艺施工

阶段0：完成八三墩的架设和行车道沥青的铺装，拱肋分节尚未全部拼装完成。

阶段A：完成大、小拱拱肋分节拼装施工，完成拱肋合龙。

图2-36　大沽桥大、小拱系杆编号

图2-37　现场系杆安装施工

阶段B1：张拉内侧吊杆前，大、小拱侧同时张拉系杆。大、小拱交替分批张拉不受拱托和八三墩支架影响的内侧吊杆。由拱顶向拱脚对称张拉，即每次张拉拱对称位置上的两根吊杆，并同时做好另一侧拱吊杆的张拉准备。

B1-a 系杆张拉：同时张拉大、小拱侧对称的系杆DG1 和XG1。系杆采用单根双向张拉方式，以油压表读数和张拉伸长值两个参数进行双控。系杆张拉初始预紧力取30%的单束张拉力。单组系杆完成预紧力张拉后进行100%张拉力张拉，按系杆编号由大到小及由小到大的顺序，将每组系杆张拉两遍，再根据现场系杆实际受力情况，对不足部分采用单向张拉补足。张拉施工过程中记录实测油压表读数及伸长值2 个参数。系杆张拉到设计系杆力后持荷2 min。实际伸长值与理论伸长值的差值控制在±6%以内。系杆理论油压表读数和理论伸长值见表2-3。

表2-3　系杆张拉理论油压表读数和理论伸长值

B1-b吊杆张拉：内侧吊杆张拉初始预紧力为150 kN，初始预紧力张拉完成后，标记锚杯位置并进行应力补张拉。吊杆张拉在各阶段末均持荷2 min。张拉完成后观测拱托滑移情况并重新标记。吊杆张拉顺序和张拉力见表2-4。

表2-4　吊杆张拉顺序及张拉力

阶段B2：在完成系杆和吊杆50%的控制力张拉后，大、小拱侧同时张拉剩余的系杆，然后张拉内侧吊杆，张拉顺序同B1 阶段。

B2-a 系杆张拉：大、小拱侧再次同时张拉剩余的系杆DG2 和XG2，理论油压表读数和理论伸长值与前次张拉相同。

B2-b吊杆张拉：再次张拉B1-b阶段中的内侧吊杆。张拉完成后观测拱托滑移情况。

阶段C：由于吊杆张拉时空间位置向行车道板方向移动，因此拱托在被拆除前已经与拱肋发生部分脱离，并且每个拱托的受力情况各不相同。基于上述因素，在拆除拱托过程中应先拆除已脱离的部分，后拆除未脱离的部分。拆除前，将已放松的拱托紧固螺栓重新全部拧紧，限制拱托的滑移，然后按从拱顶至拱脚的顺序依次拆除拱托。为防止大拱或小拱因受力不均而产生不对称变形，拆除拱托时要对称拆除，不得单独拆除不对称拱托或同时拆除多个拱托。拱托拆除后进行拱托支架的拆除，先拆卸拱托支架与八三墩之间的连接螺栓，再用吊车直接吊装拱托支架。将拱托切割拆除后，采用吊车将拱托及拱托支架吊装出拱的投影线，吊装过程中要防止索具与吊杆、拱肋的碰撞。

阶段D：拱托全部拆除后，拆除八三墩支架，拆除时从跨中向两侧进行。由于部分八三墩支架较高（最高为36 m），距离施工栈桥较近，最小作业半径为12 m，因此大拱较高处的八三墩采用220 t 汽车吊拆除，较矮处采用50 t 汽车吊拆除，小拱采用50 t 汽车吊拆除。吊装高度不大于10 m，吊装吨位控制在5 t 内，吊装时宜采用4 根立柱形成整体的框架。吊车将八三墩支架采用钢丝绳进行拴扣后，进行竖向连接板螺栓拆除。当外侧吊杆与所拆除的八三墩冲突时，采用人工或吊车将吊杆翻出八三墩以外。拆除八三墩连接架时，用220 t 吊车采用钢丝绳进行拴扣后，再将八三墩连接架用气焊割除。所有的型钢被彻底切除后，吊装出支架范围。由50 t 吊车将小拱侧八三墩整体框架吊装至施工栈桥后，由20 t 汽车吊在施工栈桥上肢解。大、小拱八三墩支架底部垫梁采用双拼Ⅰ550 或双拼Ⅰ360 工字钢。由于在拼装过程中全部采用电焊焊接，在拆除时可在混凝土工艺墩上将双拼工字钢拆分为单拼，采用吊车直接吊装的方式吊出大、小观景平台。工字钢下部采用混凝土工艺墩与钢箱梁连接。工艺墩在钢箱梁上焊接有φ12锚筋，采用空压机进行破除。

阶段B3：由拱顶向拱脚对称张拉B1、B2 阶段未张拉的内侧吊杆，见表2-5。

表2-5　吊杆张拉顺序及张拉力

阶段E：待内侧吊杆全部张拉完成后，拆除中跨底层沙漏。

阶段B4：由拱顶向拱脚对称张拉内侧吊杆，大、小拱交替进行，吊杆张拉顺序和张拉力见表2-6，内侧吊杆张拉前需将外侧吊杆进行挂索和预紧施工，外侧吊杆张拉初始预紧力为30 kN。

表2-6　吊杆张拉顺序和张拉力

阶段F：由拱顶向拱脚对称分批张拉外侧吊杆，大、小拱交替进行，吊杆张拉顺序和张拉力见表2 -7。

表2-7　吊杆张拉顺序和张拉力

阶段G：完成人行道铺装以及附属结构施工。

通过现场实测数据与理论计算数据进行对比可知，吊杆响应力和结构位移变化趋势与计算仿真模拟结果相同，支架拆除后结构的受力状态符合设计要求。分析偏差产生原因，主要是理论计算时所采用的设计参数，如材料的弹性模量、构件自重、施工临时荷载等，与实际工程中所表现出来的参数不完全一致，因此当采用理论值进行施工控制时，结构的实际变形不能完全达到预期结果，实际操作时应根据结构表现出的特性，对设计参数进行修正，并反馈到理论计算中。经过多次迭代分析，将优化后的分析结果应用到下一阶段的体系转换施工中。