鋼管混凝土系桿拱橋施工分析與施工控制

李　杰，　陳　淮，　馮冠杰

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院　 河南 鄭州 450001)

?

鋼管混凝土系桿拱橋施工分析與施工控制

李杰，陳淮，馮冠杰

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

摘要：為了保障鋼管混凝土系桿拱橋施工安全和質(zhì)量，以南水北調(diào)中線工程某鋼管混凝土系桿拱橋為例，采用有限元軟件MIDAS/Civil建立該橋有限元計算模型，按照施工過程詳細分析各施工階段的變形、吊桿力和應(yīng)力，對吊桿成橋張拉力進行探討，并選用自適應(yīng)控制方法進行現(xiàn)場施工控制.由數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果可以得出，大橋在施工過程中結(jié)構(gòu)的變形較小，受力滿足設(shè)計規(guī)范要求；考慮到鋼管混凝土系桿拱橋拱肋、系梁的剛度相對較柔，可采用恒載索力作為成橋張拉索力控制值，并以成橋后系梁和拱肋線形作為吊桿索力調(diào)整的施工依據(jù)；施工控制表明成橋線形和受力滿足設(shè)計要求，成橋索力與恒載索力基本吻合.

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土； 系桿拱； 施工分析； 施工控制

0引言

鋼管混凝土系桿拱橋?qū)儆跓o推力的梁拱組合體系橋梁，受力明確，具有強度高、造型美觀等優(yōu)點，充分發(fā)揮被組合體系的特點和組合作用.一般為外部靜定、內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，避免了在軟弱地基上建造混凝土拱橋所承擔(dān)的風(fēng)險，進而達到節(jié)約材料和降低對地基要求的設(shè)計思想[1]，因此該類橋梁結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛的應(yīng)用[2—3].但是該橋型內(nèi)部高次超靜定，技術(shù)含量高，施工難度大，施工過程中溫度和施工荷載變化等因素，使得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和吊桿索力不可能與設(shè)計計算值保持一致，而拱肋線形一旦形成，很難調(diào)整.為了確保主橋在施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形始終處于安全范圍內(nèi)，且成橋后的線形滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)恒載受力狀態(tài)接近設(shè)計期望，在橋梁施工過程中必須進行實時數(shù)值仿真分析和嚴格的施工控制，以保證成橋內(nèi)力和線形符合要求.目前，橋梁施工控制方法主要有三類[4]：開環(huán)控制、反饋控制和自適應(yīng)控制.預(yù)先控制和反饋控制相結(jié)合的自適應(yīng)控制方法為施工前控制，該方法通過施工過程的反饋測量數(shù)據(jù)不斷更正用于施工控制的跟蹤分析程序的相關(guān)參數(shù)，全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和設(shè)計目標(biāo)，在施工過程中不斷地對結(jié)構(gòu)計算模型中所用的計算參數(shù)(如彈性模量、容重等)進行識別修正，使結(jié)構(gòu)計算模型和實際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后，自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律和實際施工過程，減小理論值與實測值的偏差，當(dāng)計算分析程序能夠較準確地反映橋梁實際施工過程后，就可以用分析結(jié)果指導(dǎo)后續(xù)的施工過程[5—11].

本文以南水北調(diào)中線工程某鋼管混凝土系桿拱橋為例，采用橋梁專用數(shù)值分析軟件建立該橋有限元計算模型，考慮施工中的影響因素進行施工全過程數(shù)值分析，詳細計算各施工階段的變形、吊桿力和應(yīng)力，并對吊桿的成橋張拉力調(diào)索進行優(yōu)化，以此作為現(xiàn)場自適應(yīng)控制的理論數(shù)據(jù)，最后與施工控制實測數(shù)據(jù)進行了對比校核.

1鋼管混凝土系桿拱橋施工分析

1.1工程概況

圖1　鋼管混凝土系桿拱橋立面Fig.1　Elevation of concrete filled steel tubular tied arch bridge

依托工程為橫跨南水北調(diào)中線總干渠的生產(chǎn)橋(如圖1所示，有上角標(biāo)的為對應(yīng)上游側(cè)編號)，按照工程要求和渠道阻水影響要求，考慮景觀需求及審查意見，大橋采用跨徑93 m的梁拱體系下承式鋼管混凝土無推力系桿拱橋.主拱拱肋采用等截面啞鈴形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱軸線為二次拋物線，計算跨徑90 m，計算矢跨比為1/5；橋梁全寬7.7 m；主拱肋外輪廓為等截面啞鈴形，弦桿鋼管直徑820 mm，板厚16 mm，拱肋受力構(gòu)件均采用Q345C鋼材；拱肋上下弦鋼管中灌注C50微膨脹混凝土，兩拱肋間設(shè)置3道“一”字平面桁式橫撐和2道“K”字桁式橫撐；每道拱肋拱腳間設(shè)置1道剛性系梁，系梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，截面為1.5 m×2.0 m的單箱單室，每側(cè)系梁配置16束(2束備用)φ19×15.24的預(yù)應(yīng)力束平衡拱肋水平推力；全橋共設(shè)15對吊桿，其縱向間距5.5 m，吊桿采用PES7-73鍍鋅高強平行鋼絲；橫梁分為中橫梁和端橫梁；橋面板采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的混凝土T梁；下部為鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ).大橋上部結(jié)構(gòu)采用滿堂支架施工橋面系，在橋面系上搭設(shè)拱肋支架，拱肋節(jié)段工廠預(yù)制，陸路運輸，工地焊接、吊裝，最后單拱肋合龍.

1.2有限元模型及施工分析工況

采用橋梁有限元專用軟件MIDAS/Civil，建立南水北調(diào)中線干渠跨渠鋼管混凝土系桿拱橋的有限元計算模型.拱腳采用實體單元；系梁、橫梁、鋼管及其灌注的混凝土、橫撐、啞鈴鋼板及加勁綴板等采用空間梁單元模擬，吊桿采用索單元模擬；啞鈴鋼管及其灌注的混凝土、吊桿與系梁間、系梁與拱腳間均采用節(jié)點彈性連接(剛性)模擬；系梁和橫梁的滿堂支架采用只受壓彈性支承模擬，考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)、水泥強度隨時間變化等因素；T梁采用梁單元模擬，與吊桿橫梁連接處釋放部分約束模擬為簡支，二期鋪裝橋面、防撞護欄以線荷載模擬.系桿拱外部為簡支靜定體系，故一側(cè)拱腳約束3個平動，另一側(cè)拱腳約束豎向平動和X、Z兩個方向的轉(zhuǎn)動.全橋計算模型共計劃分4 010個節(jié)點，3 820個單元.根據(jù)施工組織設(shè)計和大橋施工過程，共分析了11個工況，如表1所示.

表1　施工分析工況

1.3施工分析結(jié)果

有限元數(shù)值分析充分考慮施工現(xiàn)場的變化因素影響，通過對模型中的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)、邊界約束、齡期等的修正調(diào)整，盡可能使模型與現(xiàn)場施工的實際狀態(tài)相一致.限于篇幅，表2給出了CS4、CS7、CS9、CS10四個關(guān)鍵階段的部分分析結(jié)果.

從表2中可以看出，拱肋跨中的最大豎向變形為-9.3 mm，系梁支撐在支架上時沒有豎向變形，落架后由于吊桿張拉最大豎向變形為7.4 mm，成橋后系梁跨中上撓1.7 mm，拱肋和系梁變形較小，且系梁和拱肋的變形較平順；在施工過程中，由于系梁預(yù)應(yīng)力張拉使得梁全截面受壓，壓應(yīng)力最大為-14.0 MPa，小于系梁混凝土抗壓設(shè)計強度，滿足規(guī)范要求；鋼管拱肋應(yīng)力水平較低，成橋后最大組合應(yīng)力為-105.5 MPa，遠小于Q345C鋼材的限值；成橋后吊桿最大力為650.1 kN，最小力為511.9 kN，所有吊桿力分布較均勻，且吊桿力安全儲備較充足.通過以上分析表明，南水北調(diào)中線鋼管混凝土系桿拱橋的施工過程安全可靠.

表2　施工分析部分計算結(jié)果

2成橋吊桿張拉力討論

吊桿張拉是鋼管混凝土系桿拱橋施工的關(guān)鍵步驟，吊桿張拉是按照設(shè)計文件提供的成橋張拉力進行實施.張拉完成后，由于吊桿、拱肋、系梁的內(nèi)力重分配、彈性變形等，結(jié)構(gòu)最終穩(wěn)定后吊桿中永存的吊桿力與此前的張拉力不同，而且拱肋和系梁的變形也會由于吊桿張拉力的不同而有所差異.表3分析了不同吊桿張拉控制力下拱肋、系梁的變形以及吊桿中索力大小，其中吊桿編號如圖1所示，考慮到結(jié)構(gòu)基本對稱僅給出1～8號吊桿力及對應(yīng)吊桿處拱肋、系梁的豎向變形.

表3　不同吊桿張拉控制力下的變形和永存吊桿力

由表3可以看出，吊桿張拉力的差異對成橋后各吊桿力的均勻、系梁和拱肋的線形有一定的影響.根據(jù)分析，成橋穩(wěn)定后吊桿中永存力和系桿拱橋的恒載作用產(chǎn)生的張拉力相近，除最短吊桿外，各吊桿力為610～650 kN，這也就是說施工中按照成橋后結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的吊桿力作為成橋索力控制目標(biāo)即可，這在文獻[12]中有相關(guān)論述.同時，考慮到拱肋和系桿剛度比對吊桿張拉產(chǎn)生的影響，特別是跨中長吊桿在張拉過程中，在已張拉恒載對應(yīng)索力的情況下，后期調(diào)索施工會由于系梁和拱肋的彈性變形而損失這部分張拉力，從3個吊桿張拉方案分析可以直觀看出長吊桿反映結(jié)構(gòu)的變形，而短吊桿的索力對張拉較敏感.因此，吊桿張拉施工以成橋恒載力為控制目標(biāo)值，成橋后吊桿的調(diào)索施工以結(jié)構(gòu)線形為主是合理可行的.按照吊桿力均勻、系梁線形微拱及拱肋變形小的原則，吊桿張拉方案(二)相對較優(yōu)，最終現(xiàn)場施工按照優(yōu)化方案(二)進行吊桿張拉.

3施工控制措施及效果

3.1施工控制措施

依托工程采用支架法安裝施工，橋面系和拱肋形成后，受后續(xù)工序(如吊桿張力)和結(jié)構(gòu)變形(如混凝土收縮徐變)影響很大，而且鋼管拱肋合龍成形后，橋梁施工控制的可調(diào)因素很少，因此采用預(yù)先控制和反饋控制相結(jié)合的自適應(yīng)控制方法進行控制，重點在施工前控制.對于本文依托的鋼管混凝土系桿拱橋的施工控制，首先應(yīng)注意支架的標(biāo)高及不均勻沉降、系梁立模標(biāo)高誤差，其次應(yīng)注意拱肋拼裝尺寸誤差及施工、測量時的環(huán)境溫度影響，這幾項為鋼管混凝土系桿拱橋施工誤差產(chǎn)生的主要原因.當(dāng)然，在施工過程中誤差的產(chǎn)生是不可避免的，當(dāng)各節(jié)段的結(jié)構(gòu)線形誤差能控制在精度范圍之內(nèi)時，則不必調(diào)整；當(dāng)這種誤差超出控制精度范圍或各工況的累積誤差已不允許時，則必須進行調(diào)整.調(diào)整時，以控制截面的標(biāo)高為主要調(diào)整手段.此外，由于鋼管混凝土系桿拱橋與梁橋、斜拉橋等橋梁的施工控制不同，拱肋合龍后，主拱線形較難調(diào)整，只能通過調(diào)整吊桿錨具螺母的絲扣調(diào)整橋面線形，而吊桿的調(diào)整是有限的，否則有可能改變結(jié)構(gòu)受力，影響結(jié)構(gòu)安全.因此，要確保鋼管混凝土系桿拱橋成橋線形和設(shè)計線形一致，需要對主要設(shè)計參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實測和計算識別進行調(diào)整，以保證每一梁段的理論計算標(biāo)高盡可能精確且符合實際.

3.2施工控制效果

3.2.1吊桿索力控制系桿拱橋在吊桿實際張拉過程中，吊桿是分批張拉的.這期間伴隨著橋梁結(jié)構(gòu)的變形、系梁支承體系的轉(zhuǎn)換及內(nèi)力的重分布，且前期張拉的吊桿索力會影響后期吊桿張拉的索力，而后期張拉吊桿亦對先期施工的吊桿索力有著直接影響，從而最終影響全部吊桿張拉完畢后的橋梁力學(xué)性能，并有可能使橋梁內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計要求不符.針對本橋的吊桿索力監(jiān)控，從現(xiàn)場張拉和數(shù)值分析結(jié)果都表明，拱肋和系梁剛度對吊桿張拉產(chǎn)生較大的影響，特別是跨中長吊桿在張拉過程中，會由于系梁和拱肋的彈性變形而損失后期調(diào)整的這部分張拉力；拱腳附近剛度相對較強，吊桿力隨著千斤頂?shù)膹埨龃?；也就是說對于調(diào)索而言，長吊桿張拉會由于拱和系梁的變形而損失，短吊桿的索力對張拉較敏感[12].因此吊桿主動張拉力以成橋恒載力為控制目標(biāo)值，吊桿力的調(diào)整以結(jié)構(gòu)線形是否平順、索力是否均勻為原則.圖2為終調(diào)后吊桿索力，可以看出各吊桿索力基本均勻，除端部4根短吊桿索力較大外(但受力安全，短吊桿索力受測量計算方法影響大)，其余吊桿索力與成橋恒載索力相當(dāng)，和理論值基本吻合.

圖2　終調(diào)后吊桿索力

圖3　成橋后豎向相對撓度Fig.3　Relative vertical deflection after the completed-bridge

3.2.2吊桿索力終調(diào)完成后成橋線形由于該橋的高程水準控制點遺失，故成橋后線形測量以吊桿1處的橋面中線作為豎向變形參考零點，測量吊桿1～15的相對豎向變形，圖3為橋面中線的相對豎向變形實測值.

設(shè)計圖紙要求成橋后橋面無相對豎向變形，實測的成橋線形為行車道軸線位置處鋪裝層上表面的豎向高程，并取1號索處的豎向撓度為零，從圖3測量數(shù)據(jù)可以看出，橋梁相對變形實測值較小.豎向相對變形最低處位于3、14號吊桿橋面位置，比1號吊桿橋面位置低3 mm，最高點位于跨中橋面附近，較1號吊桿橋面位置高3 mm，其他位置的豎向撓度較為接近，考慮到鋪裝層表面的不平整和測量誤差，可以認為成橋后橋面線形基本平順，即成橋后線形和理論計算值吻合，當(dāng)前線形是合理的.

4結(jié)論

1) 按照設(shè)計文件提供的施工步驟，南水北調(diào)中線鋼管混凝土系桿拱橋施工過程安全可靠，整個施工過程中，拱肋和系梁的變形較小，鋼管拱肋的應(yīng)力水平較低，系梁全截面受壓，壓應(yīng)力儲備充裕，成橋后吊桿安全儲備充足；采用自適應(yīng)法進行大橋施工控制可行，成橋后吊桿索力基本均勻，線形平順，與設(shè)計要求基本吻合.

2) 吊桿張拉力的差異對成橋后各吊桿力的均勻、系梁和拱肋的線形有影響，根據(jù)分析，成橋穩(wěn)定后吊桿中永存力和系桿拱橋的恒載作用產(chǎn)生的張拉力相近，這也就是說施工中按照成橋后結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的吊桿力作為成橋吊桿索力控制目標(biāo)即可.

3) 拱肋和系桿剛度比對吊桿張拉后吊桿力的分布會產(chǎn)生影響，長吊桿在張拉過程中，超過恒載索力的這部分張拉力，會由于系梁和拱肋的彈性變形而損失，拱腳附近系梁剛度相對較強，吊桿力隨著千斤頂?shù)膹埨龃螅虼说鯒U張拉施工以成橋恒載力為控制目標(biāo)值，成橋后吊桿的調(diào)索施工以結(jié)構(gòu)線形是否平順、索力是否均勻為原則是合理可行的.

參考文獻：

[1]金成棣．預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁:設(shè)計研究與實踐[M]．北京：人民交通出版社，2001.

[2]陳寶春．鋼管混凝土拱橋施工問題研究[J]．橋梁建設(shè)，2002(3)：55—59 .

[3]陳寶春．鋼管混凝土拱橋[M]．北京：人民交通出版社,2007.

[4]管品武，張智樂，邵景干．鋼管混凝土系桿拱橋施工監(jiān)控研究[J]．公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2014(8)：158—161.

[5]范偉霞．鋼管混凝土拱橋施工過程力學(xué)特性分析與優(yōu)化[D]．杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6]杜思義，陳淮，王寶聚．某下承式鋼管混凝土拱橋抗震分析[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2007，39(3)：158—162.

[7]陳淮，胡峰，李靜斌．吊桿破斷情況下湛河斜靠式拱橋靜力性能分析[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2012，44(1)：116—120.

[8]黃英軍，徐立強．某鋼管混凝土系桿拱橋的吊桿張拉施工監(jiān)控分析研究[J]．城市道橋與防洪，2014(6)：205—207.

[9]邱文亮，張哲，范金軍．大跨度鋼管混凝土系桿拱橋施工方案研究[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報，2005，45(2)：230—233.

[10]曾彥，潘麗云，趙順波．鋼管混凝土疊合柱式橋墩彈塑性抗震分析[J]．信陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，24(3)：347—350.

[11]焦燏烽，易建龍，陳水福．鋼管混凝土拱橋非線性有限元分析[J]．河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，29(2)：75—78.

[12]李杰，陳淮，江瑩瑩，等．鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力計算及調(diào)索方法研究 [J]．鐵道建筑，2014(1)：7—10.

(責(zé)任編輯：孔薇)

Construction Analysis and Construction Control of Concrete Filled Steel Tubular Tied Arch Bridges

LI Jie，CHEN Huai，F(xiàn)ENG Guanjie

(SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract:The concrete filled steel tubular tied arch bridges of south-to-north water diversion middle route project was taken as an example. MIDAS/Civil software was used to build finite element model of the bridge. The displacement, stress and hanger rob tension of the bridge were analyzed respectively in detail in order to ensure construction safety and quality of the bridge in different stages of bridge construction. And the hanger rob tension of the completed-bridge was also discussed. Adaptive control method was selected to control bridge construction. The results of numerical analysis and the field monitoring showed that the structural displacement was small during construction, and the structural force satisfied the design specification. The stiffness and flexibility of the arch rib and tie beam was reasonable. The hanger rob dead-load’s tension was regarded as control force. At the same time, the tie beam and arch rib’s shape were selected to be the hanger rob tension adjustment foundation. From construction control, completed-bridge’s shape and stress satisfied design requirements. The completed-bridge’s hanger rob tension was basically coincided with the dead-load’s.

Key words:concrete filled steel tubular； tied arch； construction analysis； construction control

收稿日期:2015-08-15

基金項目:河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(162300410264).

作者簡介:李杰(1974—)，男，陜西寶雞人，副教授，博士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)理論及力學(xué)行為研究，E-mail:lijie2007@zzu.edu.cn.

中圖分類號：U441

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-6841(2016)01-0110-06

DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.201503002

引用本文：李杰，陳淮，馮冠杰.鋼管混凝土系桿拱橋施工分析與施工控制[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2016,48(1)：110—115.