鐵路鋼管混凝土系桿拱橋施工過(guò)程監(jiān)控及受力性能分析

余 林， 雍家林， 王亞萍， 羅云峰

(1.中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011; 2.中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043; 3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

系桿拱橋是一種組合體系，具有梁橋和拱橋的大部分優(yōu)點(diǎn)。拱和梁通過(guò)傾斜的吊桿以鉸接的方式連接，通常被稱為尼爾森體系拱橋。尼爾森體系拱橋的傾斜吊桿可以提高橋梁的豎向剛度，降低拱肋和系梁的彎矩和剪力，在活載作用下具有較小的撓度，因此特別適合對(duì)剛度要求較高的高速鐵路橋梁[1]，目前應(yīng)用非常廣泛，尤其以鋼管混凝土系桿拱橋居多。

鋼管混凝土單跨系桿拱橋?yàn)橥獠快o定、內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，較常見的施工方法為預(yù)應(yīng)力混凝土系梁采用滿堂支架，待澆筑完成并張拉預(yù)應(yīng)力筋后，在其上設(shè)支架安裝拱肋，泵送混凝土后拆除拱肋支架，安裝吊桿，最后拆除系梁支架。整個(gè)施工過(guò)程中內(nèi)部超靜定次數(shù)不斷變化，為了保證施工過(guò)程中的安全與穩(wěn)定，需要對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行受力分析并實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控[2-10]。

本文以商合杭高速鐵路工程無(wú)量溪特大橋80 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用Midas軟件建立有限元模型，對(duì)施工過(guò)程中的受力行為進(jìn)行了分析，并詳細(xì)介紹了施工監(jiān)控方案及測(cè)點(diǎn)布置情況，為同類結(jié)構(gòu)擬定施工監(jiān)控方案提供參考。

1 工程概況

商合杭高速鐵路工程無(wú)量溪特大橋橋型為1-80 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。拱肋橫斷面為啞鈴形，鋼管為?1 000 mm×16 mm，上下鋼管內(nèi)填充C55無(wú)收縮混凝土。系梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，梁高2.5 m，橋面寬16.4 m。吊桿為127?7 mm高強(qiáng)度低松弛鍍鋅平行鋼絲束，按尼爾森體系布置。兩拱肋之間設(shè)3道橫撐，拱頂處為X型撐和3道一字撐，其余為K型撐，分別由?500 mm、?400 mm、?360 mm的圓形鋼管組成。全橋結(jié)構(gòu)布置及截面見圖1。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

2 施工階段受力性能分析

2.1 有限元模型的建立

采用Midas/Civil建立該橋的有限元模型，其中系梁、拱肋和橫撐均采用梁?jiǎn)卧?，吊桿采用只受拉桁架單元。系梁兩端支座采用簡(jiǎn)支約束；系梁及拱肋的現(xiàn)澆支架采用僅受壓彈性連接；拱肋和梁體的連接采用彈性連接中的剛性連接；吊桿與系梁和拱肋之間采用彈性連接的剛性連接。按照系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程的受力特點(diǎn)和實(shí)際的施工順序，在Midas/Civil軟件中劃分成16個(gè)施工階段，見表1。

表1 劃分的施工階段

全橋整體有限元模型共有526個(gè)節(jié)點(diǎn)，458個(gè)單元。有限元模型見圖2。

圖2 整體有限元模型

2.2 有限元分析結(jié)果

2.2.1 位移

選取左端拱腳截面、左側(cè)1/4截面和跨中截面進(jìn)行系桿和拱肋的豎向位移分析，見圖3，其中位移以向上為正、向下為負(fù)。由圖3可知：

(1)由于系梁為滿堂支架施工，故在張拉吊桿之前，位移一直很小，但由于預(yù)應(yīng)力的作用產(chǎn)生了較小的上拱；在張拉吊桿階段，由于吊桿力的作用，系梁上拱位移增大；在加載二期恒載后，系梁跨中豎向撓度達(dá)到最大。

(2)與系梁相反，拱肋在拆除支架后產(chǎn)生向下的位移，但量值較小；在張拉吊桿階段，下?lián)现得黠@增大；加載二期恒載后，下?lián)现道^續(xù)增大，但增幅不明顯。

2.2.2 應(yīng)力

系桿和拱肋在左端拱腳截面、左側(cè)1/4截面和跨中截面處的應(yīng)力見圖4，其中應(yīng)力以受拉為正、受壓為負(fù)。由圖4可以得出：

(1) 系梁在每個(gè)施工階段均受壓，張拉系梁預(yù)應(yīng)力筋后，系梁壓應(yīng)力開始減小；在安裝拱肋、澆筑拱肋混凝土、拆除拱肋支架的3個(gè)階段中，系梁的壓應(yīng)力繼續(xù)減小，但幅度較??；張拉吊桿后，系梁的壓應(yīng)力明顯減小；在移除滿堂支架之后，橋梁的整體剛度形成并且壓應(yīng)力繼續(xù)減小。

圖3 施工階段各截面豎向位移

圖4 施工階段各截面應(yīng)力

(2) 拱肋各截面的應(yīng)力不斷增大，且都是壓應(yīng)力；在每個(gè)階段的基本趨勢(shì)是拱腳截面處的應(yīng)力最大，跨中截面處的應(yīng)力最??；加載二期恒載后，各控制區(qū)的應(yīng)力達(dá)到最大值，拱腳橫截面壓應(yīng)力最大，為82.8 MPa，跨中截面處應(yīng)力為67.1 MPa。

3 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

施工監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容由系梁及拱肋的線形監(jiān)測(cè)、系梁及拱肋的應(yīng)力監(jiān)測(cè)和吊桿張拉力監(jiān)測(cè)三部分組成。

3.1 監(jiān)測(cè)方案及測(cè)點(diǎn)布置

3.1.1 系梁及拱肋的線形監(jiān)測(cè)

使用全站儀測(cè)量系梁及拱肋的標(biāo)高。在大小里程支座中心線之間，沿系梁的中心線，橋梁頂板表面每隔5 m布置測(cè)點(diǎn)，共計(jì)17個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。在每片拱肋的左側(cè)拱腳截面、左側(cè)1/4截面、跨中截面、右側(cè)1/4截面、右側(cè)拱腳截面上的腹板中心分別布置拱肋線形測(cè)點(diǎn)(反射片)，南北兩側(cè)拱肋共計(jì)10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖5 系梁標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

圖6 拱肋標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

3.1.2 系梁及拱肋的應(yīng)力監(jiān)測(cè)

系梁采用埋設(shè)式振弦應(yīng)變計(jì)，拱肋采用外置式振弦應(yīng)變計(jì)，分別在系梁和拱肋的左側(cè)拱腳截面、左側(cè)1/4截面、跨中截面、右側(cè)1/4截面、右側(cè)拱腳截面共5個(gè)截面上布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，見圖7。

圖7 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.1.3 吊桿張拉力監(jiān)測(cè)

吊桿索力的測(cè)試采用預(yù)裝的光纖光柵壓力計(jì)和相應(yīng)的調(diào)節(jié)儀，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的吊桿張拉索力，采用“張拉時(shí)以千斤頂壓力表控制為主，索力監(jiān)測(cè)為輔；張拉完成后以索力監(jiān)測(cè)為主”的控制方案。

3.2 線形監(jiān)控結(jié)果分析

3.2.1 系梁線形

由于本橋的施工方法是支架現(xiàn)澆，故在拆除系梁支架之前，系梁的變形都非常小，只在吊桿張拉完畢、拆除系梁支架及施加二期恒載這3個(gè)階段系梁變形比較大。這3個(gè)階段的計(jì)算高程和相鄰兩階段的計(jì)算高程差值如圖8和圖9所示。

圖8 3個(gè)階段的計(jì)算高程

圖9 相鄰2個(gè)階段的計(jì)算高程差值

從圖8和圖9可以看出，吊桿張拉完畢、拆除系梁支架及施加二期恒載這3個(gè)階段，吊桿張拉完畢后系梁跨中撓度持續(xù)增大，系梁的線形變化的最大值位于跨中部位；拆除系梁支架后系梁跨中撓度變化較小；施加二期恒載后系梁跨中撓度達(dá)到最大，因此選擇此3個(gè)階段作為重點(diǎn)監(jiān)控。各階段系梁的計(jì)算高程和實(shí)測(cè)高程如圖10所示。

由圖10可知：系梁的線形實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致，而且這3個(gè)施工階段的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的差值在可控范圍內(nèi)，施工過(guò)程中線形的實(shí)測(cè)高程和計(jì)算高程最大絕對(duì)差值在5 mm以內(nèi)，符合相應(yīng)規(guī)范要求。

3.2.2 拱肋線形

根據(jù)施工順序以及拱肋標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置位置，在拱肋到場(chǎng)之后，分別在相應(yīng)位置粘貼反光貼，再對(duì)拱肋線形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)有限元分析結(jié)果，選取豎向變形較大的拆除拱肋支架、吊桿張拉完畢、拆除系梁支架階段及施加二期恒載階段這4個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到拱肋豎向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖11，圖中截面1～截面5分別代表拱肋左側(cè)拱腳截面、左側(cè)1/4截面、跨中截面、右側(cè)1/4截面、右側(cè)拱腳截面。

圖10 系梁高程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖11的可知：拆除拱肋支架、吊桿張拉完畢、拆除系梁支架及施加二期恒載這4個(gè)階段，拱肋的線形變化的最大值位于跨中位置，拆除拱肋支架階段拱肋跨中撓度為-1.72 mm；吊桿張拉完畢后拱肋跨中撓度達(dá)到-18.4 mm；拆除系梁支架后拱肋跨中撓度變化不明顯；施加二期恒載后拱肋跨中撓度達(dá)到最大為-21.7 mm。結(jié)果顯示，南北2片拱肋撓度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較為吻合，而且2片拱肋變形的趨勢(shì)基本一致，滿足監(jiān)控要求。

3.3 應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果分析

3.3.1 系梁應(yīng)力

系梁5個(gè)測(cè)點(diǎn)截面在各施工階段的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見圖12所示。由圖12可以看出，系桿拱橋在施工過(guò)程中系梁的應(yīng)力發(fā)展情況與計(jì)算應(yīng)力基本吻合，并且兩者差值在10%以內(nèi)，在可控范圍之內(nèi)，符合規(guī)范要求。個(gè)別測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差距較大，可能是由于測(cè)量時(shí)溫差較大引起的，因此在每次采集數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)盡量選取與前次測(cè)量時(shí)溫度相近的時(shí)刻，以最大程度減小溫度的影響。

3.3.2 拱肋應(yīng)力

拱肋5個(gè)測(cè)點(diǎn)截面在各施工階段的應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見圖13所示。

由圖13可知：施工階段最大應(yīng)力都發(fā)生在拱腳附近，跨中截面應(yīng)力值相對(duì)較??；在施工過(guò)程中，拱肋應(yīng)力的測(cè)量值與計(jì)算值一致。兩者之間的差異小

圖11 拱肋高程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

于10%，南側(cè)和北側(cè)兩個(gè)拱肋的應(yīng)力趨勢(shì)基本相同，在可控范圍內(nèi)，符合規(guī)范的要求。

3.4 吊桿張力監(jiān)控結(jié)果分析

本橋采用尼爾森吊桿體系，共計(jì)32根吊桿分成

圖12 系梁應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

8組，同組4根相同長(zhǎng)度吊桿同時(shí)張拉。按照吊桿位置，南側(cè)拱肋小里程端、南側(cè)拱肋大里程端、北側(cè)拱肋大里程端、北側(cè)拱肋小里程端分別編號(hào)1、2、3、4。取拆除系梁支架階段和施加二期恒載階段的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，見圖14。

由圖14可知，拆除系梁支架及施加二期恒載后，吊桿內(nèi)力值增大，因此應(yīng)進(jìn)行二次調(diào)整，使之滿足精度要求的吊桿符合要求。利用索力動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行索力調(diào)整后，所有吊桿內(nèi)力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的偏差均在5%范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以商合杭高速鐵路工程80 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋無(wú)量溪特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用Midas軟件建立了有限元模型，對(duì)各施工階段的受力行為進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了應(yīng)力及線形施工監(jiān)控，結(jié)果表明：

(1)拆除系梁支架之前，拱橋整體表現(xiàn)為系梁上拱，拱肋下?lián)?；拆除系梁支架后，系梁和拱肋均在跨中產(chǎn)生最大撓度。

(2)系梁和拱肋在每個(gè)施工階段均受壓，但隨著拱肋的安裝和拱橋整體剛度的增大，系梁壓應(yīng)力下降，拱肋壓應(yīng)力增加，逐漸出現(xiàn)系桿拱橋的受力特征。

圖13 拱肋應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖14 吊桿張力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

(3)系梁和拱肋的實(shí)測(cè)應(yīng)力和位移均與有限元計(jì)算結(jié)果比較接近，二者得到相互驗(yàn)證，說(shuō)明施工監(jiān)測(cè)方案合理，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明拱橋的施工過(guò)程符合規(guī)范要求。