城際鐵路先梁后拱法系桿拱橋施工監(jiān)控技術(shù)研究

何志超 王 虎

(南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，南京 210042)

系桿拱橋具有建筑高度小、結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強(qiáng)、外形優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著城市交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，不同線路之間的交叉跨越難以避免[1-2]，橋梁工程跨越高速公路的情況也越來(lái)越多[3-4]。系桿拱橋?qū)儆谕獠快o定、內(nèi)部超靜定的結(jié)構(gòu)[5]，施工過(guò)程中，多種因素都會(huì)導(dǎo)致橋梁線形、內(nèi)力出現(xiàn)偏差[6-7]。因此，在施工過(guò)程中對(duì)橋梁整體受力與線形進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，具有非常重要的意義。

已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究，薛禮建[8]以廣州地鐵六號(hào)線上的白沙河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯肯禇U拱橋施工控制的內(nèi)容與基本原理，認(rèn)為橋梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)和線形監(jiān)測(cè)在橋梁建設(shè)和管理方面起著重要作用；鄢余文[9]基于大蘆線二期浦星公路下承式系桿拱橋，對(duì)其主要構(gòu)件的受力和主橋整體穩(wěn)定進(jìn)行分析；王法武[10]通過(guò)對(duì)上海北橫通道工程的研究，認(rèn)為上跨鐵路剛系桿拱橋采用步履式頂推施工對(duì)鐵路安全影響較??；席紅星[11]采用有限元法對(duì)廣大鐵路關(guān)鳳大道大橋進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)控制立模高程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各工況下的撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整。此外，倪傳志等也進(jìn)行了橋梁施工監(jiān)測(cè)、線形及索力控制等方面的探索[12-16]。

在施工過(guò)程中，系桿拱橋橋梁會(huì)經(jīng)歷多次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，監(jiān)控方案需結(jié)合具體工程實(shí)際制定。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，制定某城際鐵路1-96m系桿拱橋的施工監(jiān)控方案，采用Midas有限元軟件對(duì)橋梁施工進(jìn)行了施工仿真分析，將仿真計(jì)算所得的系梁應(yīng)力和變形、拱應(yīng)力、吊桿應(yīng)力和變形等理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證施工方案的可行性，并提出改進(jìn)建議，為同類工程提供有益參考。

1 工程概況及施工方案

某城際鐵路于DK273+507.15處跨越高速公路，高速公路現(xiàn)狀為四車道，寬28 m；規(guī)劃拓寬為雙向八車道，每邊增加7 m，總寬度為42 m。設(shè)計(jì)采用1-96 m系桿拱橋跨越，凈空5.5 m，采用先梁后拱法施工，主橋立面布置見(jiàn)圖1。系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋面箱寬17.1 m，梁高2.5 m。底板厚30 cm，頂板厚30 cm，邊腹板厚35 cm，中腹板厚30 cm。系梁結(jié)構(gòu)采用支架法現(xiàn)澆，其中，支架使用螺旋鋼管及貝雷梁形式組合搭設(shè)，為了消除非彈性變形，在底模安裝到位后，對(duì)模板及其支架系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載不小于梁體自重及施工臨時(shí)荷載的1.1倍，待支架的非彈性變形消除后方可卸載。

圖1 橋梁立面(單位：cm)

拱肋采用懸鏈線線形，矢跨比1/5，矢高19.2 m，橫斷面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.0 m，沿程等高布置，鋼管直徑為1 000 mm，由16 mm鋼板卷制而成，拱肋之間采用厚16 mm的腹板連接，兩拱肋之間共設(shè)5處橫撐，拱頂處設(shè)“米字撐+2個(gè)一字撐”，拱頂至兩拱腳間設(shè)2處K形橫撐，橫撐由截面積為500 mm、400 mm和360 mm的圓形鋼管組成。鋼管拱肋由廠內(nèi)分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)臨時(shí)支架分節(jié)吊裝就位，主拱管拱腳安裝應(yīng)在系梁混凝土澆筑前完成，再與系梁同時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑。

鋼管拱肋內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)始安裝吊桿并張拉。采用縱向雙吊桿體系，共設(shè)18對(duì)吊桿，吊桿中心縱向間距為8 m，雙吊桿中心距為0.8 m。

2 有限元計(jì)算模型

使用有限元軟件Midas進(jìn)行全橋建模，根據(jù)工程實(shí)際和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，系梁、拱腳采用梁?jiǎn)卧袄卟捎檬┕ぢ?lián)合截面，吊桿采用桁架單元。共建立401個(gè)節(jié)點(diǎn)，454個(gè)單元。拱肋截面的聯(lián)合程序與實(shí)際施工程序一致，首先吊裝拼接鋼管，然后泵送下弦桿管內(nèi)混凝土，最后泵送上弦桿管內(nèi)混凝土。模型中施加的靜力荷載包括：自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載以及溫度荷載。為方便數(shù)據(jù)分析和處理，每組2根吊桿取其應(yīng)力的平均值。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 拱肋施工模擬

圖3 整橋模型

3 系桿拱橋施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

為保證所有監(jiān)測(cè)工作的統(tǒng)一，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)和施工方案，監(jiān)測(cè)工作采用整體布設(shè)，分級(jí)布網(wǎng)的原則，首先布設(shè)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，再在此基礎(chǔ)上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本工程變形監(jiān)測(cè)的精度等級(jí)采用三等。

施工監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括系梁高程、系梁的軸線偏位、系梁應(yīng)力、支架位移、拱應(yīng)力、吊桿應(yīng)力等6個(gè)部分，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

4 系桿拱橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控制

4.1 線形監(jiān)測(cè)分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖4，系梁軸線偏位情況見(jiàn)圖5，通過(guò)實(shí)測(cè)，軸線偏位均小于1.5 mm。

圖5 系梁中心線偏位

圖6為成橋系梁累計(jì)沉降曲線，由圖6可知，左、中、右三軸線的線形實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值吻合較好，系梁在中軸線跨中位置產(chǎn)生最大沉降(5 mm)，表明全橋線形最終控制良好。

圖6 系梁累計(jì)沉降

表2為臨時(shí)支架的累積變形情況，由表2可知，支架變形實(shí)測(cè)值與理論值十分接近，變化趨勢(shì)基本一致，最大橫向變形為5 mm。兩側(cè)支架累積變形大于中間支架。

表2 臨時(shí)支架累積變形理論與實(shí)際對(duì)比 mm

4.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

系梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)間為3月24日至6月25日(共93 d)，拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)間為5月19日至6月18日(共29 d)，拱肋于5月18日完成拼裝合龍，6月19日開(kāi)始吊桿第一次張拉。

圖7為施工期間系梁和拱肋的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，從圖7中可以看出，系梁應(yīng)力在拱肋結(jié)構(gòu)拼裝完成后產(chǎn)生突變，5月31日拱肋混凝土壓注完成后，多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)解除，拱肋應(yīng)力達(dá)到最大值，系梁應(yīng)力達(dá)到拱肋拼裝完成以來(lái)的最小值，隨后系梁、拱肋協(xié)調(diào)變形，內(nèi)力重新分布。

圖7 系梁及拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8為拱肋混凝土壓注完成后系梁與拱肋的應(yīng)力分布。系梁最大應(yīng)力為4.6 MPa，位于支點(diǎn)處；拱肋最大應(yīng)力為4.2 MPa，位于右拱跨中及左拱拱腳處。拱腳處應(yīng)力理論值與監(jiān)測(cè)值相差較大，主要是由于拱腳處受力復(fù)雜，其他位置與實(shí)測(cè)值非常接近。

圖8 系梁及拱肋應(yīng)力分布

4.3 吊桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)與控制

表3為一次張拉和一次張拉后吊桿內(nèi)力與目標(biāo)值的對(duì)比，由于具有對(duì)稱性，取1/2跨橋作為研究對(duì)象。第一次張拉后，所有吊桿均正常受力工作，兩端吊桿力較大。根據(jù)第一次張拉吊桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，首先對(duì)中間位置的吊桿進(jìn)行補(bǔ)張拉，再將施工方案調(diào)整為系梁支架拆除后再進(jìn)行二次張拉，拆除時(shí)左右兩側(cè)對(duì)稱拆除。第二次張拉結(jié)束后，吊桿內(nèi)力與設(shè)計(jì)值接近，誤差不超過(guò)5%，全橋索力分布較均勻。

表3 最終吊桿力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

5 結(jié)論

對(duì)某城際鐵路1-96 m系桿拱橋施工方案進(jìn)行仿真分析，以及進(jìn)行施工過(guò)程中的線形控制、吊桿力控制和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并對(duì)比計(jì)算理論值和監(jiān)測(cè)值，確保成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，主要結(jié)論如下。

(1)成橋狀態(tài)下系梁中心軸線跨中位置累積沉降最大，為5 mm，軸線偏位最大為1.5 mm，臨時(shí)支架最大橫向位移為5 mm，全橋線形控制良好，施工方案合理可行。

(2)拱肋結(jié)構(gòu)拼裝完成時(shí)，系梁應(yīng)力產(chǎn)生突變，拱肋混凝土壓注完成后，拱肋應(yīng)力達(dá)到最大值，系梁應(yīng)力則達(dá)到拱肋拼裝完成以來(lái)的最小值。

(3)吊桿第一次張拉后，兩端吊桿力較大，中間則偏小，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)后續(xù)施工方案進(jìn)行調(diào)整，第二次張拉后，全橋索力均勻分布，與設(shè)計(jì)值偏差小于5%，滿足設(shè)計(jì)要求。