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【摘 要】 京沪高速铁路（32+108+32）m中承式钢箱拱桥吊杆采用合金钢拉杆，其特殊的张拉工艺和吊杆应力控制与一般拱桥的吊杆不同，吊杆应力的准确性直接关系到拱肋内力和拱肋线形，成桥后对吊杆的检测结果表明，完全满足设计要求。
【关键词】 中承式钢箱拱桥；转体施工；吊杆；应力控制
1.工程概况
京沪高速铁路北京特大桥在DIK20+319.95～DIK20+495.2跨越京开高速公路，采用（32+108+32）m中承式钢箱混凝土拱式系杆桥通过，采用转体法施工。本钢箱拱桥吊杆采用强度等级为460的合金钢拉杆，直径为120mm，拉杆两端的锚具均采用U型接头，吊杆及锚具采用35CrMo，吊杆及其锚具为配套成品。吊杆对应中跨横梁设置，吊杆间距5.4m，全桥共22根。吊杆上下销轴中心距为2.982～9.490m，单根吊杆长度大于5.52m时，两根吊杆杆体通过调节套筒连接成一个长吊杆，本桥共8根短吊杆，14根长吊杆。
2.吊杆施工方案的确定
2.1建立空间有限元模型
采用Midas Civil软件对钢箱拱桥在转体前和转体后进行计算分析，得出在施工过程中吊杆的内力变化，空间有限元模型见图2。
2.2仿真分析
本桥跨越京开高速公路，为保证施工期间高速公路正常运营，首先平行于高速公路两侧将钢箱拱桥拼装成型，然后采用转体法施工在中跨实现合拢，通过桥梁施工的整体方案，为实现全桥吊杆一次张拉到位，尽量减小成桥吊杆力调整的工作量，在确定吊杆张拉顺序时主要遵循以下原则：①尽量减小施工过程中的吊杆张拉力；②吊杆一次张拉方案确保拱肋变形及应力变化处于安全的范围；③保证转体结构能够顺利脱架；④每片拱肋上吊杆对称张拉。根据有限元分析结果，最终确定吊杆施工顺序为：
（1）在边跨梁端安装平衡重300KN；
（2）安装扣索并张拉，边跨梁扣索张拉1000KN，中拱肋扣索张拉815KN，梁上支架及边跨梁端支架脱架，但不拆除支架；
（3）安装吊杆5并张拉50KN，安装吊杆4并张拉40KN，安装吊杆3并张拉100KN；
（4）第2次张拉扣索，边跨梁扣索增量1700KN，中拱肋扣索增量1200KN，二次张拉扣索后，边跨梁支架1及中跨梁支架4、5、6脱架；
（5）安装吊杆2并张拉20KN，安装吊杆1并张拉50KN；
（6）利用千斤顶使支架2脱架；
（7）利用千斤顶使支架3脱架，拆除梁上支架，形成转体结构；
（8）转体完成后，安装合拢段；
（9）安裝吊杆6并张拉150KN；
（10）拆除扣索和塔架；
（11）拆除拱座下临时固结措施，完成体系转换；
（12）检测吊杆力及线形，当吊杆力与理论计算值不符时，应进行二次张拉。
施工过程仿真计算结果见表1。
3.吊杆安装及张拉工艺
3.1吊杆安装
对于单根吊杆长度大于5.52m时，为了满足安装施工的要求，两根吊杆杆体中间通过100mm的调节套筒将两段杆体连接成一个长吊杆，长吊杆如图3所示。对于单根吊杆长度小于5.52m时，吊杆杆体为一根钢棒，短吊杆如图4所示。
吊杆采用等强结构合金钢拉杆，吊杆及锚具为成品，容许疲劳应力幅要求不小于100MPa。吊杆均采用梯形螺纹，螺纹规格为Tr140×10，螺纹底径不小于圆杆部分直径，吊杆外螺纹根部进行小圆弧倒角，以减小螺纹根部应力集中系数，为保证吊杆的抗疲劳性能，制作时根据疲劳试验和静载试验情况进行特殊设计制造。
吊杆上锚端耳板预先在工厂加工焊接完成，为了保证上、下耳板的直线度，使销轴安装顺利，下耳板应在现场焊接。将吊杆上锚端安装好后，对吊杆位置进行精密测量，根据测量结果对下耳板进行电焊定位，钢板经预热后焊接。耳板的平面度、垂直度应满足吊杆U形接头安装要求，吊杆上下锚端垂直度控制在2mm以内。吊杆与上下吊点均通过销铰方式连接，如图5、图6所示。
3.2吊杆张拉工艺
吊杆采用单端张拉，张拉端设在桥面。该吊杆为刚性合金钢拉杆，上下销孔通过销铰分别铰接于钢箱拱主拱肋及主纵梁上，导致常规吊杆、斜拉索的张拉端张拉工艺无法实施，针对吊杆的特点，研究开发了刚性吊杆专用的张拉设备与工艺。
张拉工艺原理：取出下端铰接处的销铰，将千斤顶安装于焊接在主纵梁上的耳板上，在上端铰接处安装特制扁担梁，扁担梁与千斤顶通过单根钢绞线连接。张拉时，通过专用千斤顶顶伸，钢绞线对杆体施加反向拉力，实现吊杆的张拉伸长，待施加到指定的荷载后持荷，调整吊杆长度（对于长吊杆张拉，旋拧吊杆中部的调节套筒，对于短吊杆张拉，调整吊杆螺纹在U型接头内的锚固长度。），使吊杆U型接头与下吊耳销孔对齐，插入销轴后千斤顶回油卸载，此时测量吊杆内永存应力，据此推算吊杆力是否满足施工控制值，如果误差超过3%，则需要重新张拉，如此反复，张拉工艺示意图如图7，吊杆张拉现场施工如图8所示。
张拉设备选择：根据张拉吨位张拉设备选用YCW240Q千斤顶，油泵采用SYB-2A。
张拉设备布置：单个锚点采用双顶张拉两根吊杆，每台顶配置相应的配套标定的油压表。
张拉顺序：初始张拉时采用左右侧两点对称张拉，第一次吊杆张拉为第一次张拉扣索使拱肋脱架后，张拉顺序由梁端向拱脚依次进行G5、G4、G3、G2、G1吊杆张拉；钢箱拱桥转体合拢后张拉G6吊杆至设计值。
当成桥后检测吊杆力，当吊杆力与理论计算值不符时，应进行二次张拉，采用四点对称张拉对吊杆拉力进行调整，通过不断的张拉调整，使实测张拉至与理论张拉值基本一致。
张拉设备选择：根据张拉吨位张拉设备选用YCW240Q千斤顶，油泵采用SYB-2A； 张拉设备布置：单个锚点采用双顶张拉两根吊杆，每台顶配置相应的配套标定的油压表；
张拉顺序：初始张拉时采用左右侧两点对称张拉，第一次吊杆张拉为第一次张拉扣索使拱肋脱架后，张拉顺序由梁端向拱脚依次进行G5、G4、G3、G2、G1吊杆张拉；钢箱拱桥转体合拢后张拉G6吊杆至设计值。
当成桥后检测吊杆力，当吊杆力与理论计算值不符时，应进行二次张拉，采用四点对称张拉对吊杆拉力进行调整，通过不断的张拉调整，使实测张拉至与理论张拉值基本一致。
4.吊杆张拉力控制
根据吊杆张拉工艺可见，张拉结束后千斤顶油压表最终读数并不能代表吊杆控制张拉力的大小。因为千斤顶放松前杆体内力可从油压表读数推算，而杆体放松后会发生吊杆内拉力松弛，而且吊杆松弛比例受拱肋弹性恢复、主梁弹性恢复、吊杆上下杆体的长度比、螺纹连接及销轴与销孔间隙等多种不确定性因素影响。由于吊杆刚度大，张拉变形小，实际施工时难以控制，容易造成吊杆力张拉不均匀，最终影响结构力学性能。本工程吊杆通过测试吊杆力的大小和伸长量双控的方法进行吊杆张力的控制。
4.1吊杆力的控制
本桥吊杆采用合金钢，常用的吊杆力的测试方法不适合于本桥。为了进行该桥的索力精确测量与控制，在吊杆厂内超张拉阶段对不同直径、不同长度的吊杆进行了对比试验。在实际张拉过程中，通过对称粘贴在杆体上的光纤光栅表面应变计进行千斤顶卸载后永存拉力的监测，每根吊杆按中心线对称布置两个应变传感器，全桥共44个测点，从而间接得到其吊杆应力情况，通过记录各工况前后应变计的读数变化来确定是否进行再次张拉及张拉力的大小，当发现与控制张拉力误差较大时，重新启动千斤顶，在千斤顶顶伸状态放松杆体，调节吊杆，以保证控制索力处于误差允许的范围。
待全桥张拉完成之后，分别采用光纤光栅表面应变计对全桥吊杆力进行测试，以保证测试精度。
4.2吊杆伸长量的控制
通过实际吊杆张拉顺序的分析，计算得到在第n根吊杆张拉到位后，吊点处拱肋下挠δna，梁上抬δnb，张拉前实测拱肋吊杆上下吊點销孔中心距dn，设吊杆无应力长度为Ln0，在施工张拉力下的伸长量为l0=（Ln0˙Tn）/（E˙A），则可求得：
在张拉吊杆前调节套筒，将无应力状态下吊杆销孔中心距调整到Lo后，张拉吊杆，待下杆体销孔与下吊耳对齐后，插入销轴，然后放松千斤顶。
用精密电子水准仪对拱肋下挠和主梁上抬进行测量，从而计算出吊杆伸长量的实际变化情况，当发现与理论伸长量误差较大时，重新启动千斤顶，在千斤顶顶伸状态放松杆体，调节吊杆，以保证控制吊杆伸长量处于误差允许的范围。
5.吊杆力调整
在钢箱拱桥施工中，由于构件自重、刚度、扣索张拉、转体施工、构件拼装精度、吊杆力张拉误差等的影响，桥梁结构的实际状态与理想状态总是存在着一定的误差。对吊杆索力的优化调整是施工阶段纠偏的重要手段，其目标是保证拱肋受力合理、线形美观，吊杆恒载索力满足设计要求。如前所述，这类吊杆的张拉工艺要求在桥面纵梁上焊临时张拉吊耳，所以对全桥的吊杆力优化调整的工作需在桥面系完成之前进行。在全桥吊杆张拉完毕后，通过倒退分析可获得精确的桥面系施工前理论吊杆力作为调整的目标吊杆力，以光纤光栅表面应变计实测吊杆力作为当前索力。吊杆的调整张拉遵循从拱顶到拱脚对称进行。
经过对全桥吊杆的二次张拉调整，获得的实测吊杆力与该阶段理论索力最大误差2.6%。二次张拉调整后，吊杆力实测值与理论值如图9和图10所示。
结果表明，通过上文提出的吊杆张拉工艺与索力控制与调整方法，可以实现高速铁路这类复杂桥梁的精确施工控制。
6.结束语
受张拉工艺的限制，吊杆力无法在油压表中得出，需要不断的调整张拉，工艺较为复杂。吊杆应力的准确性直接关系到拱肋内力和拱肋线形，因此在施工中通过吊杆力监测和伸长量变化严格控制吊杆的应力。该项技术能在线形控制要求严格的京沪高速铁路中得以应用，并得到较好的控制效果，为以后高速铁路同类型桥梁施工提供了借鉴。
参考文献：
[1]张联燕，谭邦明.桥梁转体施工[M].北京：人民交通出版社，2002.
[2]周丹，褚奇，黑世强.钢筋混凝土拱桥转体施工的仿真分析[J].交通科技，2008（2）：28-30
[3]刘亚平.钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的研究[J].中国港湾建设，2002（4）：5-8.
[4]虞建成，邵容光，王小林，系杆拱桥吊杆初始张拉力及施工控制[J].东南大学学报，1998（3）：112-116.
【关键词】 中承式钢箱拱桥；转体施工；吊杆；应力控制
1.工程概况
京沪高速铁路北京特大桥在DIK20+319.95～DIK20+495.2跨越京开高速公路，采用（32+108+32）m中承式钢箱混凝土拱式系杆桥通过，采用转体法施工。本钢箱拱桥吊杆采用强度等级为460的合金钢拉杆，直径为120mm，拉杆两端的锚具均采用U型接头，吊杆及锚具采用35CrMo，吊杆及其锚具为配套成品。吊杆对应中跨横梁设置，吊杆间距5.4m，全桥共22根。吊杆上下销轴中心距为2.982～9.490m，单根吊杆长度大于5.52m时，两根吊杆杆体通过调节套筒连接成一个长吊杆，本桥共8根短吊杆，14根长吊杆。
2.吊杆施工方案的确定
2.1建立空间有限元模型
采用Midas Civil软件对钢箱拱桥在转体前和转体后进行计算分析，得出在施工过程中吊杆的内力变化，空间有限元模型见图2。
2.2仿真分析
本桥跨越京开高速公路，为保证施工期间高速公路正常运营，首先平行于高速公路两侧将钢箱拱桥拼装成型，然后采用转体法施工在中跨实现合拢，通过桥梁施工的整体方案，为实现全桥吊杆一次张拉到位，尽量减小成桥吊杆力调整的工作量，在确定吊杆张拉顺序时主要遵循以下原则：①尽量减小施工过程中的吊杆张拉力；②吊杆一次张拉方案确保拱肋变形及应力变化处于安全的范围；③保证转体结构能够顺利脱架；④每片拱肋上吊杆对称张拉。根据有限元分析结果，最终确定吊杆施工顺序为：
（1）在边跨梁端安装平衡重300KN；
（2）安装扣索并张拉，边跨梁扣索张拉1000KN，中拱肋扣索张拉815KN，梁上支架及边跨梁端支架脱架，但不拆除支架；
（3）安装吊杆5并张拉50KN，安装吊杆4并张拉40KN，安装吊杆3并张拉100KN；
（4）第2次张拉扣索，边跨梁扣索增量1700KN，中拱肋扣索增量1200KN，二次张拉扣索后，边跨梁支架1及中跨梁支架4、5、6脱架；
（5）安装吊杆2并张拉20KN，安装吊杆1并张拉50KN；
（6）利用千斤顶使支架2脱架；
（7）利用千斤顶使支架3脱架，拆除梁上支架，形成转体结构；
（8）转体完成后，安装合拢段；
（9）安裝吊杆6并张拉150KN；
（10）拆除扣索和塔架；
（11）拆除拱座下临时固结措施，完成体系转换；
（12）检测吊杆力及线形，当吊杆力与理论计算值不符时，应进行二次张拉。
施工过程仿真计算结果见表1。
3.吊杆安装及张拉工艺
3.1吊杆安装
对于单根吊杆长度大于5.52m时，为了满足安装施工的要求，两根吊杆杆体中间通过100mm的调节套筒将两段杆体连接成一个长吊杆，长吊杆如图3所示。对于单根吊杆长度小于5.52m时，吊杆杆体为一根钢棒，短吊杆如图4所示。
吊杆采用等强结构合金钢拉杆，吊杆及锚具为成品，容许疲劳应力幅要求不小于100MPa。吊杆均采用梯形螺纹，螺纹规格为Tr140×10，螺纹底径不小于圆杆部分直径，吊杆外螺纹根部进行小圆弧倒角，以减小螺纹根部应力集中系数，为保证吊杆的抗疲劳性能，制作时根据疲劳试验和静载试验情况进行特殊设计制造。
吊杆上锚端耳板预先在工厂加工焊接完成，为了保证上、下耳板的直线度，使销轴安装顺利，下耳板应在现场焊接。将吊杆上锚端安装好后，对吊杆位置进行精密测量，根据测量结果对下耳板进行电焊定位，钢板经预热后焊接。耳板的平面度、垂直度应满足吊杆U形接头安装要求，吊杆上下锚端垂直度控制在2mm以内。吊杆与上下吊点均通过销铰方式连接，如图5、图6所示。
3.2吊杆张拉工艺
吊杆采用单端张拉，张拉端设在桥面。该吊杆为刚性合金钢拉杆，上下销孔通过销铰分别铰接于钢箱拱主拱肋及主纵梁上，导致常规吊杆、斜拉索的张拉端张拉工艺无法实施，针对吊杆的特点，研究开发了刚性吊杆专用的张拉设备与工艺。
张拉工艺原理：取出下端铰接处的销铰，将千斤顶安装于焊接在主纵梁上的耳板上，在上端铰接处安装特制扁担梁，扁担梁与千斤顶通过单根钢绞线连接。张拉时，通过专用千斤顶顶伸，钢绞线对杆体施加反向拉力，实现吊杆的张拉伸长，待施加到指定的荷载后持荷，调整吊杆长度（对于长吊杆张拉，旋拧吊杆中部的调节套筒，对于短吊杆张拉，调整吊杆螺纹在U型接头内的锚固长度。），使吊杆U型接头与下吊耳销孔对齐，插入销轴后千斤顶回油卸载，此时测量吊杆内永存应力，据此推算吊杆力是否满足施工控制值，如果误差超过3%，则需要重新张拉，如此反复，张拉工艺示意图如图7，吊杆张拉现场施工如图8所示。
张拉设备选择：根据张拉吨位张拉设备选用YCW240Q千斤顶，油泵采用SYB-2A。
张拉设备布置：单个锚点采用双顶张拉两根吊杆，每台顶配置相应的配套标定的油压表。
张拉顺序：初始张拉时采用左右侧两点对称张拉，第一次吊杆张拉为第一次张拉扣索使拱肋脱架后，张拉顺序由梁端向拱脚依次进行G5、G4、G3、G2、G1吊杆张拉；钢箱拱桥转体合拢后张拉G6吊杆至设计值。
当成桥后检测吊杆力，当吊杆力与理论计算值不符时，应进行二次张拉，采用四点对称张拉对吊杆拉力进行调整，通过不断的张拉调整，使实测张拉至与理论张拉值基本一致。
张拉设备选择：根据张拉吨位张拉设备选用YCW240Q千斤顶，油泵采用SYB-2A； 张拉设备布置：单个锚点采用双顶张拉两根吊杆，每台顶配置相应的配套标定的油压表；
张拉顺序：初始张拉时采用左右侧两点对称张拉，第一次吊杆张拉为第一次张拉扣索使拱肋脱架后，张拉顺序由梁端向拱脚依次进行G5、G4、G3、G2、G1吊杆张拉；钢箱拱桥转体合拢后张拉G6吊杆至设计值。
当成桥后检测吊杆力，当吊杆力与理论计算值不符时，应进行二次张拉，采用四点对称张拉对吊杆拉力进行调整，通过不断的张拉调整，使实测张拉至与理论张拉值基本一致。
4.吊杆张拉力控制
根据吊杆张拉工艺可见，张拉结束后千斤顶油压表最终读数并不能代表吊杆控制张拉力的大小。因为千斤顶放松前杆体内力可从油压表读数推算，而杆体放松后会发生吊杆内拉力松弛，而且吊杆松弛比例受拱肋弹性恢复、主梁弹性恢复、吊杆上下杆体的长度比、螺纹连接及销轴与销孔间隙等多种不确定性因素影响。由于吊杆刚度大，张拉变形小，实际施工时难以控制，容易造成吊杆力张拉不均匀，最终影响结构力学性能。本工程吊杆通过测试吊杆力的大小和伸长量双控的方法进行吊杆张力的控制。
4.1吊杆力的控制
本桥吊杆采用合金钢，常用的吊杆力的测试方法不适合于本桥。为了进行该桥的索力精确测量与控制，在吊杆厂内超张拉阶段对不同直径、不同长度的吊杆进行了对比试验。在实际张拉过程中，通过对称粘贴在杆体上的光纤光栅表面应变计进行千斤顶卸载后永存拉力的监测，每根吊杆按中心线对称布置两个应变传感器，全桥共44个测点，从而间接得到其吊杆应力情况，通过记录各工况前后应变计的读数变化来确定是否进行再次张拉及张拉力的大小，当发现与控制张拉力误差较大时，重新启动千斤顶，在千斤顶顶伸状态放松杆体，调节吊杆，以保证控制索力处于误差允许的范围。
待全桥张拉完成之后，分别采用光纤光栅表面应变计对全桥吊杆力进行测试，以保证测试精度。
4.2吊杆伸长量的控制
通过实际吊杆张拉顺序的分析，计算得到在第n根吊杆张拉到位后，吊点处拱肋下挠δna，梁上抬δnb，张拉前实测拱肋吊杆上下吊點销孔中心距dn，设吊杆无应力长度为Ln0，在施工张拉力下的伸长量为l0=（Ln0˙Tn）/（E˙A），则可求得：
在张拉吊杆前调节套筒，将无应力状态下吊杆销孔中心距调整到Lo后，张拉吊杆，待下杆体销孔与下吊耳对齐后，插入销轴，然后放松千斤顶。
用精密电子水准仪对拱肋下挠和主梁上抬进行测量，从而计算出吊杆伸长量的实际变化情况，当发现与理论伸长量误差较大时，重新启动千斤顶，在千斤顶顶伸状态放松杆体，调节吊杆，以保证控制吊杆伸长量处于误差允许的范围。
5.吊杆力调整
在钢箱拱桥施工中，由于构件自重、刚度、扣索张拉、转体施工、构件拼装精度、吊杆力张拉误差等的影响，桥梁结构的实际状态与理想状态总是存在着一定的误差。对吊杆索力的优化调整是施工阶段纠偏的重要手段，其目标是保证拱肋受力合理、线形美观，吊杆恒载索力满足设计要求。如前所述，这类吊杆的张拉工艺要求在桥面纵梁上焊临时张拉吊耳，所以对全桥的吊杆力优化调整的工作需在桥面系完成之前进行。在全桥吊杆张拉完毕后，通过倒退分析可获得精确的桥面系施工前理论吊杆力作为调整的目标吊杆力，以光纤光栅表面应变计实测吊杆力作为当前索力。吊杆的调整张拉遵循从拱顶到拱脚对称进行。
经过对全桥吊杆的二次张拉调整，获得的实测吊杆力与该阶段理论索力最大误差2.6%。二次张拉调整后，吊杆力实测值与理论值如图9和图10所示。
结果表明，通过上文提出的吊杆张拉工艺与索力控制与调整方法，可以实现高速铁路这类复杂桥梁的精确施工控制。
6.结束语
受张拉工艺的限制，吊杆力无法在油压表中得出，需要不断的调整张拉，工艺较为复杂。吊杆应力的准确性直接关系到拱肋内力和拱肋线形，因此在施工中通过吊杆力监测和伸长量变化严格控制吊杆的应力。该项技术能在线形控制要求严格的京沪高速铁路中得以应用，并得到较好的控制效果，为以后高速铁路同类型桥梁施工提供了借鉴。
参考文献：
[1]张联燕，谭邦明.桥梁转体施工[M].北京：人民交通出版社，2002.
[2]周丹，褚奇，黑世强.钢筋混凝土拱桥转体施工的仿真分析[J].交通科技，2008（2）：28-30
[3]刘亚平.钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的研究[J].中国港湾建设，2002（4）：5-8.
[4]虞建成，邵容光，王小林，系杆拱桥吊杆初始张拉力及施工控制[J].东南大学学报，1998（3）：112-116.