某簡支鋼管混凝土拱橋數(shù)值分析與施工監(jiān)測研究

楊 紹 華

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司西北分公司，陜西 西安 710000)

鋼管混凝土具有抗壓性能好、承載能力高、抗沖擊性與抗震性好、耐火和耐腐蝕性能好、施工方便及經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)。近年來,鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)形式在我國鐵路工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

鋼管混凝土拱橋是一種自架設(shè)體系結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的剛度是分階段逐漸組合而成的,整個(gè)橋梁施工過程復(fù)雜,因此對橋梁結(jié)構(gòu)施工過程的精確控制是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。本文以某鐵路工程跨豐堿公路1-64 m雙線簡支鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?對該橋鋼管混凝土系桿拱橋施工過程進(jìn)行了數(shù)值分析與施工監(jiān)測研究。

1 工程概況

某鐵路工程跨豐堿公路1-64 m雙線簡支拱橋采用啞鈴型鋼管混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土系梁的簡支拱橋橋式，梁全長66.5 m。拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5。全橋共設(shè)置2榀拱肋，呈提籃式；拱肋立面投影矢高12.675 m，拱頂處兩拱中心距9.037 m；拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面結(jié)構(gòu)，高2.4 m，鋼管直徑0.8 cm，壁厚1.6 cm，內(nèi)充C55補(bǔ)償收縮混凝土。橋梁立面圖和平面圖如圖1所示。

系梁：系梁采用多箱預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面，跨中及端部梁高均為2.2 m，頂板、底板厚均為0.55 m～0.35 m，邊腹板厚2.3 m～0.9 m，中腹板厚0.4 m，梁部橋面寬16.2 m，底寬13.8 m。

吊桿：全橋共設(shè)置9對吊桿，平行布置間距5 m，吊桿立面垂直梁部在橫向內(nèi)傾8°；吊索采用成品鎖，錨具采用冷鑄鐓頭錨。

主要施工重難點(diǎn)有：

1)拱腳施工：本橋拱腳鋼筋布排非常密集，而且系桿和端橫梁的預(yù)應(yīng)力預(yù)留孔道穿越拱腳，鋼筋和混凝土施工困難。

2)系梁澆筑：系梁混凝土為C55高性能混凝土，約1 200 m3，屬于大體積混凝土，要求一次性澆筑混凝土，對水化熱產(chǎn)生橋梁裂縫控制是重難點(diǎn)[1]。

3)鋼管拱肋制作及吊裝：受場地限制，拱肋鋼管分成多段拼裝，現(xiàn)場的焊接拼裝，對拱形的控制和吊桿預(yù)埋件安裝必須準(zhǔn)確。

4)吊桿索張拉：吊桿和成橋線性有密切關(guān)系，施工中需分階段、分批次有序地進(jìn)行張拉。

5)支架搭設(shè)與預(yù)壓：為施工期間橋下公路正常通行，支架必須要有足夠的承載能力。

2 有限元建模

橋施工過程模擬分析采用正裝計(jì)算法。施工過程中伴隨著構(gòu)件的增減，在計(jì)算時(shí)采用了“單元生死”功能。即本階段添加的單元則激活，本階段不需要的單元則鈍化，鈍化的單元對計(jì)算模型不提供任何剛度，激活的單元能為模型提供完全的剛度。

通過對不同施工階段相應(yīng)的單元的激活和鈍化，從而實(shí)現(xiàn)橋梁施工過程的仿真分析[2]。通過有限元分析軟件MIDAS/Civil建立該橋數(shù)值模型(如圖2所示)。

模型中，拱肋和系梁采用只受拉的桁架單元模擬，橋面采用滿堂梁單元模擬，吊桿支架采用只受壓的彈簧單元模擬，采用施工聯(lián)合截面模擬拱肋混凝土的灌注。全橋共建立節(jié)點(diǎn)284個(gè)，梁單元311個(gè)，桁架單元18個(gè)，連接彈簧單元89個(gè)。

全橋計(jì)算參數(shù)取值如下：

1)系梁：C50普通混凝土，彈性模量取3.55×104MPa，泊松比取0.2，線膨脹系數(shù)取1.0×10-5/℃，密度2 500 kg/m3。

2)拱肋混凝土：C55補(bǔ)償收縮混凝土，彈性模量取3.55×104MPa，泊松比取0.2，線膨脹系數(shù)取1.0×10-5/℃，密度2 500 kg/m3，限制膨脹率為0.000 15。

3)拱肋鋼管：Q345鋼材，彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃，密度7 698 kg/m3。

4)預(yù)應(yīng)力鋼絞線：Strand1860鋼絞線，彈性模量取1.95×105MPa，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃，密度7 850 kg/m3。

5)吊桿：采用PES成品索，彈性模量取2.05×105MPa，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃，密度為8 240 kg/m3。

3 施工監(jiān)測

為保障橋梁施工安全，確保成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)相一致[3]。通過對施工整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)測，使橋梁結(jié)構(gòu)成形后的內(nèi)力和線形能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[4]。

施工監(jiān)測主要針對該橋梁拱肋安裝、主梁澆筑和預(yù)應(yīng)力束張拉等施工階段的受力及變形情況。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測

3.1.1測點(diǎn)布置

根據(jù)本橋梁結(jié)構(gòu)的施工情況和受力特點(diǎn)，其應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測斷面按圖3布置，包括主梁測試截面10個(gè)(上下游各5個(gè))，拱肋測試截面10個(gè)(上下游各5個(gè))，系桿共26根(上下游各13根)，主梁截面的測點(diǎn)布置如圖4所示。

3.1.2測試儀器

通過預(yù)埋應(yīng)變計(jì)或表面焊接采集應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)。隨著施工階段不斷進(jìn)行，采集各工況下主梁的應(yīng)變值，可判定橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

本次監(jiān)測中，主梁混凝土采用埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，如圖5所示；對于拱肋表面的應(yīng)力，采用表面式鋼弦應(yīng)變計(jì)，采集系統(tǒng)為揚(yáng)州晶明科技的振弦式應(yīng)變采集系統(tǒng)。

系梁只監(jiān)測其縱橋向的應(yīng)力，拱肋監(jiān)測其拱軸線方向的應(yīng)力?；炷羵鞲衅饔迷z固定在預(yù)定位置的鋼筋上，表面式鋼弦應(yīng)變計(jì)用AB膠牢牢粘貼于鋼管拱肋表面，如圖6所示。

3.2 位移監(jiān)測

本橋位移監(jiān)測主要包括兩個(gè)方面：拱肋坐標(biāo)和主梁標(biāo)高。

通過監(jiān)測拱肋坐標(biāo)分析其在各個(gè)施工階段的橫向偏位和豎向撓度變形，而主梁變形主要通過測試各階段主梁的標(biāo)高得到。

3.2.1測點(diǎn)布置

拱肋和主梁的位移測點(diǎn)分別布置在支座、跨中和L/4跨處，主梁的橫橋方向上布置了三個(gè)高程測點(diǎn)，分別布置在兩邊腹板中心處的上緣和斷面中點(diǎn)上緣，斷面中點(diǎn)上緣處測點(diǎn)用來控制頂板的橋軸線，拱肋上緣處測點(diǎn)用來控制拱肋上緣軸線[2]，測點(diǎn)位置如圖7所示。

3.2.2測試儀器

采用萊卡TC1800A型全自動全站儀進(jìn)行觀測，如圖8所示，其精度高。角度測量精度為1.0 s，距離測量精度為1 mm+2 ppm。

測量時(shí)，分別在系梁和拱肋的控制截面上貼反射片。在相應(yīng)施工工況完成以后，分別對控制截面的高程和平面線形進(jìn)行測量。為了減少溫度對觀測結(jié)果的影響，測量工作盡量在當(dāng)日完成。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

吊桿張拉完成后，系梁應(yīng)力會發(fā)生明顯變化，圖9～圖12為系梁分別在不同施工階段的應(yīng)力變化數(shù)值計(jì)算值和監(jiān)測實(shí)測值的對比圖。

從圖9～圖12中可以看出：

1)張拉吊桿完成后，系梁處于受壓狀態(tài)，從張拉吊桿到拆除滿堂支架的過程中，系梁的應(yīng)力會逐漸增大，但變化不明顯；

2)施工過程中系梁會發(fā)生上拱，頂板壓應(yīng)力大于底板壓應(yīng)力；跨中位置處的系梁應(yīng)力值要比其他位置的應(yīng)力值??；

3)由于模型計(jì)算簡化，系梁應(yīng)力的實(shí)測值要小于理論值。

圖13，圖14為拱肋支架到系梁滿堂支架拆除后拱肋應(yīng)力的變化情況數(shù)值計(jì)算值和監(jiān)測實(shí)測值的對比圖。

從圖13，圖14中可以看出：

1)拱肋臨時(shí)支架拆除后，拱肋應(yīng)力值很小，拱肋處于受壓狀態(tài)；吊桿張拉完成后，系梁混凝土重量通過吊桿傳遞到拱肋，拱肋應(yīng)力會明顯增大；

2)系梁滿堂支架拆除后，梁拱組合體系形成，系梁混凝土重量完全由結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)，拱肋應(yīng)力會進(jìn)一步增大，但整個(gè)拱肋受力較為均勻；

3)拱肋施工過程中，越靠近拱腳位置處拱肋軸向力也越大，拱肋應(yīng)力由兩邊向中間逐漸減小，理論值與實(shí)測值的變化規(guī)律也保持一致。

4.2 位移監(jiān)測結(jié)果分析

橋下滿堂支架拆除后，梁拱體系形成，此時(shí),系梁的線形會發(fā)生較大變化，滿堂支架拆除后，系梁位移變化的計(jì)算值與實(shí)測值如圖15所示。

從圖15可以看出：

1)由于模型計(jì)算簡化,系梁跨中最大豎向位移實(shí)測值小于計(jì)算值，但變化規(guī)律基本一致；

2)在系梁支架拆除過程中，系梁位移變化較大，應(yīng)加強(qiáng)對系梁的施工監(jiān)測。

圖16～圖18為拆除拱肋臨時(shí)支架后拱軸線豎向位移計(jì)算值與實(shí)測值的對比圖。

從圖16～圖18中可以看出：

1)拱肋豎向位移實(shí)測值小于計(jì)算值，但變化規(guī)律基本一致；

2)拱肋臨時(shí)支架拆除后，鋼管與混凝土間形成聯(lián)合截面，其本身已具有一定的承載能力，因此拱肋的豎向位移變化并不明顯；

3)吊桿張拉完成后，系梁混凝土的部分重量通過吊桿傳遞給拱肋，此時(shí)拱肋豎向位移最大，實(shí)測為5.218 mm；

4)系梁滿堂支架拆除后，梁拱組合體系形成，由結(jié)構(gòu)本身承自重，拱肋豎向位移會明顯增大，最大實(shí)測豎向位移為11.268 mm。

5 結(jié)論

本文對雙線簡支鋼管混凝土拱橋施工過程的應(yīng)力及位移進(jìn)行了數(shù)值分析與施工監(jiān)測，主要得到以下結(jié)論：

1)主梁、拱肋的最大實(shí)測應(yīng)力值和位移值均在許可范圍內(nèi)，整個(gè)施工過程控制較好。

2)結(jié)構(gòu)實(shí)測位移值和應(yīng)力值均與理論計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，說明本文建立的數(shù)值模型能夠較好地模擬橋梁整個(gè)施工過程。

3)張拉吊桿完成后，應(yīng)力會急劇增加；系梁滿堂支架在拆除過程中，系梁位移變化較大，在施工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。