鋼管混凝土拱橋整體吊裝施工監(jiān)控分析

陳 賀 功

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200331)

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鋼管混凝土拱橋整體吊裝施工監(jiān)控分析

陳 賀 功

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，上海 200331)

以上海市徐匯區(qū)老滬閔路鋼管混凝土拱橋為例，從結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工過程、施工監(jiān)控內(nèi)容三方面，介紹了其工程概況，并從理論、實測結(jié)果兩方面，對施工監(jiān)控結(jié)果進行了分析，以供同類工程借鑒參考。

鋼管混凝土拱橋，橫斷面，橋面板，吊桿

0 引言

鋼管混凝土(Concrete Filled Steel Tubular,CFST)是指在鋼管內(nèi)灌注混凝土，從而使得鋼管和混凝土形成組合截面受力。由于鋼管和混凝土的組合，能夠有效的發(fā)揮鋼管的套箍作用[2]，從而能夠提高混凝土的抗壓承載力，而鋼管內(nèi)灌注混凝土后，混凝土可以有效的抵抗鋼管的整體和局部的穩(wěn)定性[3]。而且鋼管混凝土拱橋具有跨徑適應(yīng)能力大，承載能力高，地質(zhì)適應(yīng)能力強(可以無推力)，造型美觀等優(yōu)點，使其在橋梁建設(shè)領(lǐng)域具備有寬廣的前景。

鋼管混凝土拱橋的施工方法主要有[4]：滿堂支架法、纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法、懸臂施工法。施工監(jiān)控的主要方法有[5]：

1)開環(huán)控制，對于橋型較簡單的橋梁，一般按照設(shè)計估計的預(yù)拱度施工，屬于單向控制方法；

2)反饋控制，又叫閉環(huán)控制，對施工過程中出現(xiàn)的誤差及時進行糾正，而糾正的措施和控制量的大小，形成一種反饋控制過程；

3)自適應(yīng)控制，為控制誤差產(chǎn)生的原因，需要對誤差進行估計，經(jīng)過幾個施工階段后，計算模型就能夠適應(yīng)實際結(jié)構(gòu)的施工過程，該方法是在反饋控制的基礎(chǔ)上增加了一個施工系統(tǒng)的參數(shù)辨析過程。

結(jié)合上海市徐匯區(qū)淀浦河上一座鋼管混凝土橋的施工過程，

進行了仿真分析，并進行了自適應(yīng)控制施工監(jiān)控。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

徐匯區(qū)淀浦河橋跨徑組合為4×20.0 m(引橋)+69.0 m(主橋)+4×20.0 m(引橋)，全長229.0 m，其中主橋為簡支鋼管混凝土拱橋。主橋立面圖集橫斷面圖如圖1,圖2所示。

主橋橫斷面布置：0.3 m(欄桿)+3.5 m(人行道)+2.0 m(拱肋區(qū))+11.5 m(車行道)+11.5 m(車行道)+2.0 m(拱肋區(qū))+3.5 m(人行道)+0.3 m(欄桿)=34.6 m。

拱肋：主橋有兩片拱肋，為等高度圓端形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，單片拱肋寬度1.2 m，截面高2.0 m，拱肋橫橋向間距為25 m。拱軸線計算跨徑66.4 m，矢跨比f/L=1/5,拱肋矢高為f=13.28 m，拱軸線為二次拋物線。

橫梁：橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其中中橫梁采用T型截面，端橫梁采用預(yù)應(yīng)力空心箱形結(jié)構(gòu)，并且橫梁梁頂設(shè)置2%橫坡，底面水平。

縱梁：與拱肋對應(yīng)，主橋設(shè)置2道縱梁?？v梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，跨中處為箱型截面，縱梁與吊桿連接處，設(shè)1 000 mm厚的實體段。

吊桿：均為平行吊桿，間距5 m，全橋共設(shè)11對(共22根)，所有吊桿均位于拱肋平面內(nèi)。吊桿采用低松弛鍍鋅鋼絲成品索PES(FD)7-109(鋼絲強度Rby=1 670 MPa)，設(shè)計安全系數(shù)K≥3.0，索體下端為固定端，上端為張拉端，配套錨具為LZM7-109冷鑄鐓頭錨。

荷載等級：考慮跨淀浦河橋重型車輛所占比例較大，本橋設(shè)計荷載采用城—A級，人群荷載按CJJ 11—2011城市橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定取用。

1.2 施工過程

徐匯區(qū)淀浦河橋主要構(gòu)件采用預(yù)制拼裝整體吊裝的施工方法。主要的施工過程如下：

1)主橋橋墩處搭設(shè)支架，現(xiàn)澆拱腳、端橫梁和第一片中橫梁；

2)設(shè)置水平抗推裝置，整體吊裝鋼管拱肋，安裝風撐后泵送拱肋混凝土；

3)張拉水平抗推裝置后，安裝吊桿，并整體吊裝中橫梁；

4)調(diào)整中橫梁標高后，現(xiàn)澆邊縱梁，縱梁混凝土強度達到設(shè)計強度后，張拉縱梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋，然后拆除臨時抗推裝置；

5)施工橋面鋪裝、防撞護欄、欄桿等。復(fù)測橋面高程，判定是否調(diào)整吊桿索力。

1.3 施工監(jiān)控內(nèi)容

1.3.1 線形控制

1)拱肋橫向偏位；2)拱軸線線形；3)橋面線形。

1.3.2 拱腳變位

拱肋吊裝、拱肋混凝土灌注、橫梁吊裝、縱梁澆筑和縱梁預(yù)應(yīng)力張拉等階段拱腳水平位移控制。

1.3.3 吊桿力調(diào)整

根據(jù)設(shè)計要求，橋面板施工完成后，以橋面線形作為控制目標，根據(jù)橋面線形的實測值，對吊桿張拉力進行調(diào)整，保證最終成橋的線形滿足設(shè)計的要求。

1.3.4 應(yīng)力監(jiān)控

拱肋在拱腳、L/4、拱頂和3L/4截面布置表貼式振弦式應(yīng)力傳感器，并挑選部分中橫梁和縱梁拱頂對應(yīng)位置處布置埋入式。由于拱腳鋼管在進行拱肋混凝土壓漿過程中易造成拱腳鋼管破裂[6]，因此拱腳處應(yīng)力測點在拱肋上下緣和左右兩側(cè)均布置，并且在壓漿過程中實時監(jiān)測，及時報警，停止注漿。

拱肋橫向偏位和拱軸線形的測試采用在拱肋下緣布置小棱鏡或反射片的方式布置測點，橋面線形采用中橫梁在吊桿對應(yīng)位置處布置測點。測點布置如圖3,圖4所示。

2 施工監(jiān)控結(jié)果分析

該橋采用有限軟件進行模擬計算分析，根據(jù)設(shè)計圖紙及施工方案，該模型離散為581個單元，395個節(jié)點，施工計算階段14個，包括成橋后的收縮徐變10年。其中拱肋、縱梁和橫梁采用梁單元，橋面板采用板單元。由于該橋跨度比較小，吊桿的幾何非線性不明顯，因此吊桿采用桁架單元。同時根據(jù)實測參數(shù)值對模型進行調(diào)整和修正，結(jié)構(gòu)計算模型見圖5。

2.1 理論分析

根據(jù)理論計算結(jié)果可知：

1)拱軸線線形：拱肋設(shè)計預(yù)拋高54.0 mm，縱梁設(shè)計預(yù)拋高100.0 mm(其中包括拱肋的設(shè)計拋高值)；拱肋施工預(yù)拋高33.0 mm，系梁施工預(yù)拋高為20.8 mm。其中拱軸橫向偏位在計算模型中無法得到理論值，僅能通過拱肋整體吊裝過程進行實時監(jiān)控和調(diào)整，保證拱肋的垂直度。根據(jù)設(shè)計或施工預(yù)拋高值，按照二次拋物線計算其他相關(guān)點的拋高值，在吊裝中橫梁時實時控制相關(guān)控制點，保證最終成橋的線形達到設(shè)計要求。

2)拱腳變位：拱腳變位在整個施工過程中由于臨時約束的影響，拱腳相對水平變形較小，僅為1.0 mm。在臨時水平抗推裝置拆除后，拱腳水平變位理論值達到10.0 mm(方向為向兩岸方向)。

3)吊桿力：根據(jù)設(shè)計要求，該橋的主控參數(shù)為橋面線形，吊桿力在滿足橋面線形的情況下，不進行二次調(diào)整，即吊桿索力在施工結(jié)束后能夠達到理論計算的理論值。

4)敏感性分析[7]：施工過程中，理論計算的參數(shù)和實際的參數(shù)不符合情況較常見，而結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的差異會對實際的監(jiān)控過程造成結(jié)構(gòu)的成橋偏差，因此對于部分參數(shù)進行敏感性分析計算是有必要的。對于橋梁自重、縱梁孔道摩阻系數(shù)等相關(guān)系數(shù)進行了敏感性分析，經(jīng)過分析自重的因素對于拱頂和縱梁跨中的拋高值敏感性更明顯，因此現(xiàn)場施工過程中，要在混凝土澆筑過程中，及時取混凝土樣品進行承重測量，根據(jù)測試結(jié)果及時調(diào)整模型,見表1～表3。

表1 自重因素對控制點施工拋高值的敏感性計算結(jié)果 mm

表2 縱梁預(yù)應(yīng)力K系數(shù)對控制點施工拋高值的敏感性計算結(jié)果 mm

表3 縱梁預(yù)應(yīng)力μ系數(shù)對控制點施工拋高值的敏感性計算結(jié)果 mm

2.2 實測結(jié)果分析

1)拱軸線形。在施工過程中，拱頂測點在施工過程中實測變形趨勢和理論計算的趨勢相同，右側(cè)拱肋拱頂在二次鋪裝后的變形值相對偏大6 mm，小于設(shè)計的要求，如圖6所示，拱頂高程滿足成橋后的正常使用。成橋后拱肋的矢跨比為1/4.98，拱肋設(shè)計矢跨比為1/5，表明拱軸線形滿足要求。

2)橋面線形。根據(jù)縱梁控制點高程實測結(jié)果(如圖7所示)，縱梁跨中控制測點在施工過程中標高：中橫梁吊裝標高后比設(shè)計值高4.75 cm，最終成橋后標高比設(shè)計值高6.88 cm，因此該橋預(yù)拋高在后期使用中有較大的富余量，能夠滿足橋梁后期的使用。

3)拱腳變位。實測拱腳變位在臨時索放張后，拱腳向河兩岸變位為13 mm，拱腳的變位趨勢實測值和理論值相同，說明臨時索的張拉和拆除順序與實際相符。

4)應(yīng)力監(jiān)控。拱肋實測應(yīng)力和理論應(yīng)力總體變化趨勢基本

一致，在整個施工過程中幾乎是全截面受壓，隨著施工過程總體呈現(xiàn)波動增加的趨勢，符合施工規(guī)律。其中拱腳的應(yīng)力測點實測結(jié)果與理論值對比如圖8所示。

3 結(jié)語

通過對徐匯區(qū)淀浦河橋施工監(jiān)控過程，橋梁在施工過程中理論值和實測值基本相符，而且滿足設(shè)計及規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)位于系桿拱橋的容許范圍之內(nèi)，基本處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力良好?；谠摌虻念A(yù)制拼裝，拱肋整體吊裝，得出以下結(jié)論：

1)考慮混凝土的收縮徐變和施工周期的影響，以及考慮橋梁自重、二期恒載等，拱肋和縱梁設(shè)置的施工拋高值滿足施工的要求，能夠保證最終成橋的線形滿足設(shè)計要求。

2)該橋自重的影響因素，對于施工預(yù)拋高值的影響較大，自重每變化1%，拱肋及縱梁最大控制點的變化為10%，因此對于結(jié)構(gòu)施工過程中的自重，需要重點關(guān)注，根據(jù)實測值，實時調(diào)整計算模型。

3)拱腳變位實測值和理論值變化趨勢相同，說明理論計算的臨時約束的設(shè)置和拆除過程與實際的過程相符。

4)關(guān)鍵位置的應(yīng)力測試過程表明實測值和理論值比較相符，實測值與理論值相對浮動，說明實際的施工過程中施工堆載的估計存在偏差，需要在模型中不斷對施工堆載及時調(diào)整。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].第2版.北京：人民交通出版社股份有限公司,2007：49-51.

[2] 蔣豐軍.鋼管混凝土拱橋施工過程控制計算分析研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)碩士論文,2013：1.

[3] 劉長松.鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控與控制技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007：2-3.

[4] 劉 鋒.鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)的有限元仿真分析[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007：4-5.

[5] 陳少峰.鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控方法研究及工程應(yīng)用[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2007：3.

[6] 陳賀功.鋼管混凝土拱橋拱座混凝土破裂原因分析[J].山西建筑,2016，42(29)：172-173.

[7] 周彥文.城際高速鐵路連續(xù)梁橋施工監(jiān)控中的敏感性分析[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(5)：497-499.

On analysis of overall hoisting construction monitoring of steel-pipe concrete arch bridge

Chen Hegong

(ShanghaiTongnaConstructionEngineeringQualityTestCo.,Ltd,Shanghai200331,China)

Taking the steel pipe concrete arch bridge on Laohumin Road in Xuhui District of Shanghai as the example, the paper introduces its engineering survey from the structural parameter, construction process, and construction monitoring content, and undertakes the analysis of the monitoring results from the theories and training results, so as to provide some reference for the similar projects.

steel pipe concrete arch bridge, cross section, bridge deck slab, suspender

1009-6825(2017)15-0167-03

2017-03-10

陳賀功(1981- )，男，工程師

U448.3

A