大節(jié)段鋼筋混凝土箱型拱橋纜索吊裝精細控制

(長沙城投鐵路站場遷建開發(fā)有限公司,湖南 長沙 410003 )

現(xiàn)代化橋梁建設因其跨度大、結構復雜，所采用的施工方法種類繁多。纜索吊裝施工技術作為一種經(jīng)濟合理、安全可靠的建橋技術，在大跨度拱橋施工中得到了非常廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計，近些年來，我國大跨度拱橋采用了纜索吊裝技術施工的占到大跨度拱橋總量的70%[1]。拱橋纜索吊裝施工技術包括拱圈預制、纜索系統(tǒng)布設、拱箱吊裝、拱箱合龍松扣索、拱上結構施工等，因此，該方法是一個較為龐大的系統(tǒng)工程。在該系統(tǒng)中，保證拱箱成橋后的線形和內(nèi)力狀態(tài)滿足設計要求是施工控制的最終目標，在拱橋纜索吊裝的整個施工過程中，會受到各種施工因素的影響[2]。因此，必須對整個施工過程進行有效的施工監(jiān)控，確保達到合理成橋狀態(tài)，同時保證施工過程和運營階段的安全。

1 工程概況

該工程背景為鋼筋混凝土箱型上承式拱橋，橋面寬為 9 m，橋跨結構為 13 m×2 簡支梁橋 +110 m 上承式鋼筋混凝土拱橋+4×13 m 簡支梁橋。主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱，凈跨徑110 m，拱圈橫斷面由 5 片拱箱組成。橋型布置及拱圈橫截面圖如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

圖2 主拱圈橫截面圖(單位 cm)

2 纜索吊裝施工監(jiān)控方案

為保證拱箱成橋后的線形和內(nèi)力狀態(tài)滿足設計要求，在施工過程中，必須對影響合理成橋狀態(tài)實現(xiàn)的各種參數(shù)誤差進行修正，進而對整個施工過程進行有效的施工控制[3]。施工控制采取以拱圈線形控制為主，應力控制為輔的原則進行，同時兼顧扣索索力和扣塔變形控制。

具體地說，施工控制過程應遵循以下幾條原則：

1)線形要求。

線形包括拱箱軸線線形和橋面線形兩種。施工過程中，裸拱的拱箱軸線線形應滿足根據(jù)施工狀態(tài)計算設置預拱度的理論值(該理論值必須充分考慮混凝土收縮徐變等因素影響)，成橋后(一般情況下是指長期變形趨于穩(wěn)定后)拱箱軸線線形和橋面線形均應滿足設計要求。

2)受力要求。

受力要求通常包括兩個方面：一是施工過程中，對該橋施工期間的索力及應力等狀態(tài)量進行有效地控制和調(diào)整，保證實際結構在施工過程中的受力和變形始終處于可控、安全及合理的范圍內(nèi)[4，5]；二是成橋狀態(tài)，結構內(nèi)力符合設計要求并且與理論期望值的誤差最小。針對拱結構以受壓為主的受力特點，施工過程中既要考慮結構的穩(wěn)定性，同時也必須考慮材料強度要求，確保施工過程的安全。成橋狀態(tài)下，拱箱主拱圈的內(nèi)力既與恒載作用大小有關，又與扣索的張拉索力有關。因此，施工控制中，必須將扣索索力的大小作為關鍵對象加以控制，確保運營期的安全[6,7]。

3 監(jiān)控理論計算模型建立

計算模型結構共細分為303處節(jié)點，組成649個單元，其中，施工扣索采用索單元，支座與臨時鉸接結構采用兩端帶剛臂的梁單元，其余單元均采用梁單元。結構邊界條件均與實際一致。施工工況劃分見表1。

表1 施工工況劃分表工況施工狀態(tài)10、17號墩柱施工2拱肋1號段拼裝3拱肋2號段拼裝4拱肋3號段入合龍口，拱肋合龍5長扣索落鉤63#段纜索落鉤7短扣索落鉤8剩余拱肋安裝合龍9澆筑橫系梁、連接縫10底梁、拱圈整體化層施工11拱圈形成整體剛度12空工況13～40立柱及蓋梁、橋面板安裝及二期恒載施工

3.1 拱肋1號節(jié)段吊裝計算結果

1號節(jié)段吊裝完成后，拱肋應力計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 1號節(jié)段吊裝工況拱肋上翼緣應力

圖4 1號節(jié)段吊裝工況拱肋下翼緣應力

由拱肋應力計算結果可知，拱肋1號節(jié)段吊裝過程中，拱肋下翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為0.97 MPa，出現(xiàn)的拉應力極值為1.55 MPa；吊裝過程中，拱肋上下翼緣的拉應力極值(短暫持荷)均小于混凝土的標準抗拉強度2.65 MPa，符合規(guī)范要求。

3.2 拱肋2號節(jié)段吊裝

2號節(jié)段吊裝完成后，拱肋應力計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 吊裝2號段工況拱肋上翼緣應力

圖6 吊裝2號段工況拱肋下翼緣應力

由以上拱肋應力計算結果可知，拱肋2號節(jié)段吊裝過程中，上翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為3.29 MPa，拉應力極值為1.80 MPa(1號扣索掛鉤處)；下翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為3.32 MPa，拉應力極值為1.34 MPa；吊裝過程中，拱肋上下翼緣拉應力極值(短暫持荷)均小于混凝土的標準抗拉強度2.65 MPa，符合規(guī)范要求。

3.3 單條拱肋(中箱)合龍

單條拱肋合龍后(扣索與纜索皆松鉤)，拱肋應力計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 單條拱肋合龍后拱肋上翼緣應力

圖8 單條拱肋合龍后拱肋下翼緣應力

由拱肋應力計算結果可知，拱圈合龍后，拱肋上翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為3.64 MPa，無拉應力；拱肋下翼緣出現(xiàn)的壓應力極值3.11 MPa，無拉應力；拱肋出現(xiàn)的剪應力極值為0.12 MPa，軸向壓應力極值為3.04 MPa。

拱肋邊箱吊裝至拱圈合龍階段拱肋內(nèi)應力狀態(tài)與上述分析基本一致，此處不再一一羅列。

3.4 成橋階段短期效應混凝土拱肋應力包絡圖

正常使用極限狀態(tài)下的短期效應與長期效應分別進行作用效應組合[8]，取其最不利效應進行分析。

混凝土拱肋在短期效應作用下的應力包絡圖如圖9、圖10。

圖9 短期組合效應上翼緣應力包絡圖

圖10 短期組合效應下翼緣應力包絡圖

由圖9、圖10應力包絡圖可知，在最不利短期組合效應下，拱肋軸向應力未出現(xiàn)拉應力，出現(xiàn)的壓應力極值為7.95 MPa;上翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為8.96 MPa，壓應力最小值為2.49 MPa，未出現(xiàn)拉應力；下翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為13.31 MPa，壓應力最小值為3.35 MPa，未出現(xiàn)拉應力。

3.5 長期效應混凝土拱肋應力

混凝土拱肋在長期效應作用下的應力包絡圖如圖11、圖12。

圖11 長期組合效應上翼緣應力包絡圖

圖12 長期組合效應下翼緣應力包絡圖

由圖11、圖12應力包絡圖可知：在最不利長期組合效應下，拱肋軸向應力未出現(xiàn)拉應力，出現(xiàn)的壓應力極值為7.97 MPa；上翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為9.08 MPa，壓應力最小值為2.36 MPa，未出現(xiàn)拉應力；下翼緣出現(xiàn)的壓應力極值為13.48 MPa，最小壓應力為3.42 MPa，未出現(xiàn)拉應力。

3.6 施工預拱度

拱箱在收縮徐變等荷載作用下會產(chǎn)生一定的下?lián)希虼诵柙诠跋涫┕み^程中預先抬高一定的量來抵消結構下?lián)?，設置的預抬高值即稱為施工預拱度。

根據(jù)拱橋吊裝施工特點，計算模型必須從拱圈形成剛度后方可計入拱箱累計變形量。

對本橋施工過程進行數(shù)值模擬計算，在考慮恒載、收縮徐變荷載以及1/2活載情況下，拱頂需設置的預抬高值約為91.3 mm，其他位置數(shù)值亦可根據(jù)圖13確定。

圖13 拱箱預拱度布置圖

4 現(xiàn)場監(jiān)控測點布置

根據(jù)拱圈長度及現(xiàn)場具備的實施條件，測點均布置在每段拱箱端頭腹板位置。

5 拱箱合龍線形施工監(jiān)控成果

根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，拱箱高程最大誤差出現(xiàn)在南岸第2條中箱的合攏段，其高程誤差絕對值控制在29 mm以內(nèi)，滿足設計及規(guī)范要求。

拱箱軸線最大誤差出現(xiàn)在南岸邊箱的第1段，誤差最大值為18 mm，滿足設計及規(guī)范要求。

6 結語

通過對大節(jié)段鋼筋混凝土箱型拱橋纜索吊裝過程的細致分析及控制，結構成橋狀態(tài)各項指標均滿足設計及規(guī)范要求。本項目施工監(jiān)控工作自拱箱預制階段開始，吊裝全過程中始終密切關注拱肋拼裝線形的變化及影響，整個施工監(jiān)控思路值得參考。

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