鋼管混凝土系桿拱橋施工控制技術(shù)*

孫九春，曹 虹，奚國(guó)棟

(騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 201204)

0 引言

鋼管混凝土系桿拱橋是由鋼拱肋、吊索、主梁和系桿組成的多次超靜定結(jié)構(gòu)體系[1-5]，其設(shè)計(jì)與施工高度耦合，采用的施工方法和安裝工藝與成橋后的主梁線(xiàn)形和結(jié)構(gòu)恒荷載內(nèi)力聯(lián)系密切。隨著施工階段結(jié)構(gòu)體系和荷載狀態(tài)的變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形隨之改變，并決定了成橋后結(jié)構(gòu)受力及線(xiàn)形。因此，施工過(guò)程中須對(duì)橋梁每個(gè)施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)算，對(duì)施工工序做出明確規(guī)定，并在施工過(guò)程中進(jìn)行有效控制和管理，確保拱橋在施工過(guò)程中的受力和變形始終滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

本文以某鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)橐劳?，開(kāi)展施工控制技術(shù)研究。該橋?qū)傧鲁惺较禇U拱橋，采用支架法先施工主梁，再施工鋼拱肋?？紤]材料彈性模量、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度、結(jié)構(gòu)分析模型誤差、測(cè)量誤差等的影響，結(jié)構(gòu)初始理論設(shè)計(jì)值難以做到與實(shí)際測(cè)量值完全一致，二者之間存在一定偏差。如果在主梁和鋼拱肋施工過(guò)程中無(wú)法有效控制或糾正偏差，既影響成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力，又影響結(jié)構(gòu)外觀與使用功能。為保證結(jié)構(gòu)受力和變形始終處于安全合理的范圍內(nèi)，須進(jìn)行施工控制。

1 工程概況

本工程為某市軌道交通區(qū)間橋中的雙線(xiàn)下承式鋼管混凝土系桿拱橋(見(jiàn)圖1)，跨徑96m，全長(zhǎng)100m(兩側(cè)梁端至支座中心線(xiàn)的距離均為2m)，全寬13.5m。斷面最低點(diǎn)梁高2.3m，軌底至梁頂384mm，支座中心線(xiàn)至梁端2m，橫向設(shè)置2個(gè)支座，支座橫橋向中心距11.1m。本工程采用支架法先施工主梁，再施工鋼拱肋，系梁(縱梁)通過(guò)原位支架現(xiàn)澆施工。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋立面

2 施工控制目的與內(nèi)容

2.1 施工控制目的

根據(jù)實(shí)際施工工序及現(xiàn)場(chǎng)獲取的參數(shù)和數(shù)據(jù)，對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。針對(duì)每個(gè)施工階段，根據(jù)分析驗(yàn)算結(jié)果給出結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形等施工控制參數(shù)，分析并調(diào)整施工誤差，建立預(yù)警體系，對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和控制。

施工控制總體原則是確保施工期結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定，并綜合考慮主要結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力控制及吊索索力控制。

2.2 施工控制內(nèi)容

1)通過(guò)有限元分析，確保施工方案的可行性，并保證各施工階段主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定系數(shù)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，確保整個(gè)施工過(guò)程安全順利進(jìn)行，并提供支架施工時(shí)主梁及鋼拱肋預(yù)拱度。

2)施工過(guò)程中系梁、鋼拱肋等主要承重結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及承重結(jié)構(gòu)標(biāo)高與線(xiàn)形控制。

3)鋼拱肋安裝、混凝土灌注過(guò)程中鋼拱肋應(yīng)力、線(xiàn)形控制與分析，掌握鋼拱肋施工狀態(tài)。

4)監(jiān)控成橋后吊桿索力，如有必要，確定索力調(diào)整方案。

5)對(duì)二期恒荷載施工過(guò)程中的鋼拱肋、系梁、吊桿等受力進(jìn)行監(jiān)控，了解成橋質(zhì)量，為橋梁驗(yàn)收提供技術(shù)資料。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

需提前根據(jù)施工方案進(jìn)行全過(guò)程計(jì)算分析，明確各構(gòu)件受力、位移。本文采用有限元分析軟件建立計(jì)算模型，如圖2所示。采用正裝分析法、倒拆分析法、無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行分析[6-8]，系梁、橫梁及鋼拱肋均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用僅受拉桁架單元模擬，橋面板按荷載考慮。

圖2 計(jì)算模型

施工階段荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、主梁縱向預(yù)應(yīng)力、吊桿索力[9-11]，成橋階段荷載考慮列車(chē)荷載，參考TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》I級(jí)公路取值。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)本工程施工專(zhuān)項(xiàng)方案，參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范，計(jì)算工況包括系梁混凝土澆筑、鋼拱肋安裝、鋼拱肋上下弦混凝土澆筑、鋼拱肋腹腔混凝土澆筑、鋼拱肋臨時(shí)支架拆除、吊桿張拉、系梁支架拆除、二期恒荷載施工、二次調(diào)索。

3.3 計(jì)算結(jié)果

1)位移

計(jì)算得到系梁最大豎向位移出現(xiàn)在系梁支架拆除階段，鋼拱肋最大豎向位移出現(xiàn)在吊桿張拉階段，對(duì)應(yīng)的位移云圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位：mm)

2)應(yīng)力

計(jì)算得到系梁最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在系梁混凝土澆筑階段，鋼拱肋鋼管最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在二次調(diào)索階段，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3)索力

成橋后，吊桿最大索力為1 190kN，最小索力為830kN。

4)預(yù)拱度

依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置系梁、橫梁、鋼拱肋預(yù)拱度。綜合考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒荷載、溫度、車(chē)輛荷載、吊桿張拉等因素，計(jì)算得到系梁預(yù)拱度為0～7.29mm，鋼拱肋預(yù)拱度為0～22mm。

4 施工控制技術(shù)

4.1 變形控制

4.1.1測(cè)點(diǎn)布置

采用全站儀和水準(zhǔn)儀對(duì)系梁標(biāo)高和軸線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，在每根系梁吊桿下錨板頂部及支座位置布置位移控制測(cè)點(diǎn)，左幅自左至右布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。為保證成橋后鋼拱肋線(xiàn)形與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致，在鋼拱肋各節(jié)段特定部位設(shè)置坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)。在鋼拱肋底緣吊桿交叉角點(diǎn)處設(shè)置鋼拱肋線(xiàn)形測(cè)點(diǎn)(共布置20個(gè))。系梁及鋼拱肋位移測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 系梁及鋼拱肋位移測(cè)點(diǎn)

4.1.2系梁變形控制

系梁采用支架澆筑施工，支架拆除前，系梁變形較小(趨于0)，故本文僅對(duì)支架拆除后的施工工況進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比。

1)支架拆除工況

支架拆除工況下系梁變形曲線(xiàn)如圖6所示。由圖6可知，在系梁支架拆除工況下，左、右幅系梁變形為-15～3mm，基本呈跨中區(qū)域下?lián)洗?、靠近橋墩位置變形接?的趨勢(shì)；左、右幅系梁實(shí)測(cè)變形值基本小于理論變形值，二者偏差基本<4mm；左、右幅系梁變形實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本保持一致；左、右幅系梁實(shí)測(cè)變形值偏差基本<6mm。

圖6 支架拆除工況下系梁變形曲線(xiàn)

2)二期恒荷載工況

二期恒荷載工況下系梁變形曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知，在二期恒荷載工況下，左、右幅系梁變形為-5～4mm，基本呈跨中區(qū)域下?lián)洗?、靠近橋墩位置上撓小的趨?shì)；左、右幅系梁實(shí)測(cè)變形值基本小于理論變形值，二者偏差基本<4mm；左、右幅系梁變形實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本保持一致；左、右幅系梁實(shí)測(cè)變形值偏差基本<3mm。

圖7 二期恒荷載工況下系梁變形曲線(xiàn)

綜上所述，在系梁支架拆除和二期恒荷載工況下，系梁變形基本為-15～4mm，滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.1.3鋼拱肋變形控制

1)吊桿張拉工況

吊桿張拉工況下鋼拱肋變形曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可知，在吊桿張拉工況下，左、右幅鋼拱肋變形曲線(xiàn)基本呈對(duì)稱(chēng)分布，變形為-16～-2mm；左、右幅鋼拱肋實(shí)測(cè)變形值基本小于理論變形值，二者偏差基本<5mm；左、右幅鋼拱肋變形實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本保持一致；左、右幅鋼拱肋實(shí)測(cè)變形值偏差基本<3mm。

圖8 吊桿張拉工況下鋼拱肋變形曲線(xiàn)

2)主梁支架拆除工況

主梁支架拆除工況下鋼拱肋變形曲線(xiàn)如圖9所示。由圖9可知，在主梁支架拆除工況下，左、右幅鋼拱肋變形曲線(xiàn)基本呈對(duì)稱(chēng)分布，變形為-11～-6mm；左、右幅鋼拱肋實(shí)測(cè)變形值基本大于理論變形值，二者偏差基本<5mm；左、右幅鋼拱肋變形實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本保持一致；左、右幅鋼拱肋實(shí)測(cè)變形值偏差基本<3mm。

圖9 主梁支架拆除工況下鋼拱肋變形曲線(xiàn)

綜上所述，左、右幅鋼拱肋在吊桿張拉和主梁支架拆除工況下的變形基本呈對(duì)稱(chēng)性變化，發(fā)生下?lián)献冃?，下?lián)现?16mm，滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.2 應(yīng)力控制

4.2.1測(cè)點(diǎn)布置

為準(zhǔn)確掌握系梁應(yīng)力情況，對(duì)系梁進(jìn)行全過(guò)程施工應(yīng)力監(jiān)測(cè)，選取大、小里程處拱腳及跨中9號(hào)吊桿處斷面作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上各布置1個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，如圖10所示。

圖10 左、右幅系梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面布置

鋼拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面如圖11所示，在每個(gè)斷面上、下弦頂部及側(cè)邊位置各布置1個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。

圖11 鋼拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面

4.2.2系梁應(yīng)力控制

以系梁混凝土澆筑前的狀態(tài)作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)初始狀態(tài)，不同施工工況下系梁實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值如表1所示。由表1可知，在不同施工工況下，系梁左、右側(cè)應(yīng)力變化基本呈對(duì)稱(chēng)分布特性，系梁應(yīng)力基本為-7.70～1.70MPa；系梁實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值分布趨勢(shì)基本一致，二者偏差基本<2MPa，可知系梁應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

表1 系梁實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值 MPa

4.2.3鋼拱肋應(yīng)力控制

以鋼拱肋拼裝前的狀態(tài)作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)初始狀態(tài)，不同施工工況下鋼拱肋1—1，4—4斷面實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值分別如表2，3所示。由表2，3可知，在不同施工工況下，左、右幅鋼拱肋各斷面應(yīng)力變化基本呈對(duì)稱(chēng)分布特性，鋼拱肋應(yīng)力基本為-40.40～26MPa；鋼拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值分布趨勢(shì)基本一致，二者偏差基本<2MPa，可知鋼拱肋應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

表2 鋼拱肋1—1斷面實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值 MPa

表3 鋼拱肋4—4斷面實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值 MPa

4.3 索力控制

本橋吊桿索力測(cè)量采用振動(dòng)法，通過(guò)測(cè)試吊桿振動(dòng)頻率換算吊桿索力，在每根吊桿上布設(shè)1個(gè)索力測(cè)點(diǎn)，如圖12所示。

圖12 左、右幅吊桿索力測(cè)點(diǎn)布置

1)二期恒荷載工況

二期恒荷載工況下吊桿索力變化曲線(xiàn)如圖13所示。由圖13可知，在二期恒荷載工況下，較短吊桿易受錨固邊界及減震器的影響，同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度及外界干擾較敏感，索力實(shí)測(cè)值較難拾取，因此，短吊桿實(shí)測(cè)索力值與理論索力值偏差較大。

圖13 二期恒荷載工況下吊桿索力變化曲線(xiàn)

2)最終調(diào)索工況

最終調(diào)索工況下吊桿索力變化曲線(xiàn)如圖14所示。由圖14可知，最終調(diào)索后，全橋所有吊桿索力均符合設(shè)計(jì)要求；左、右幅吊桿實(shí)測(cè)索力值偏差基本<5%，單根吊桿實(shí)測(cè)索力值與理論索力值偏差基本<10%，滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

圖14 最終調(diào)索工況下吊桿索力變化曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)系梁、鋼拱肋變形和應(yīng)力及吊桿索力等實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)比分析可知，系梁、鋼拱肋變形和應(yīng)力及吊桿索力實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)與理論計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，且實(shí)測(cè)結(jié)果均在規(guī)范及設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)，可知本工程施工控制效果較好。