.連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋施工控制研究

摘 要：連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋的施工內(nèi)容包括梁體分段澆筑、梁體合龍、拱肋組裝、管弦混凝土灌注、吊桿張拉、路面鋪裝等。為了提高工程質(zhì)量，研究過(guò)程在連續(xù)梁的頂板和底板、拱肋的上下管弦分別布設(shè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)高精度全站儀測(cè)量標(biāo)高數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行線形控制。同時(shí)設(shè)置埋入式應(yīng)變傳感器，獲取連續(xù)梁和管弦的應(yīng)力數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，線形實(shí)測(cè)值與理論值的最大偏差僅為10mm，整體可控。應(yīng)力分布及變化趨勢(shì)符合理論預(yù)期，滿足施工要求。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；鋼管混凝土拱；梁拱組合橋施工控制；線性控制；應(yīng)力監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U 445 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

梁拱組合橋的施工難度主要體現(xiàn)在連續(xù)梁的線形和應(yīng)力控制方面，尤其是在合龍、張拉、鋪裝階段，連續(xù)梁和拱肋的受力體系會(huì)發(fā)生較大的變化，如果施工控制措施不到位，就會(huì)導(dǎo)致線形異變、應(yīng)力分布不均等問(wèn)題。在工程實(shí)踐中，通常采用有限元分析法獲取各工況下的理論數(shù)據(jù)，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集實(shí)際施工時(shí)的線形和應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)比理論值和實(shí)測(cè)值的偏差，如果二者高度接近，就說(shuō)明施工控制效果良好，反之就需要改進(jìn)技術(shù)措施。

1 工程概況

某高速鐵路橋采用連續(xù)梁+鋼管混凝土梁拱設(shè)計(jì)方案，跨度為77m+160m+77m。主梁全長(zhǎng)為134m，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土箱梁，以C55混凝土澆筑而成，分別設(shè)置2個(gè)邊支點(diǎn)和2個(gè)跨中支點(diǎn)，對(duì)應(yīng)梁高為9.0m、4.5m。箱梁最大寬度為16.3m，頂板厚度為0.40m～0.52m，底板厚度為0.36m～0.95m，腹板厚度為0.40m～0.70m。梁段數(shù)量共70個(gè)，長(zhǎng)度為3.0m～17.0m，最大質(zhì)量為331.8t。鋼管拱設(shè)置在主跨上，長(zhǎng)度為160m，矢高達(dá)32m，其主體結(jié)構(gòu)為拱肋、吊桿、橫撐等。

2 連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋施工仿真計(jì)算方法

在連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋的施工控制中，可利用有限元分析法，模擬施工時(shí)的應(yīng)力變化和截面變形，為制定施工方案提供依據(jù)。

2.1 建立有限元模型

建模時(shí)采用MIDAS/civil軟件，橋梁模型中共建立了880個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為742個(gè)，與連續(xù)梁相關(guān)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為242個(gè)、117個(gè)。當(dāng)建模時(shí)，用梁?jiǎn)卧M連續(xù)梁，如果梁段中存在變截面，就設(shè)置專(zhuān)門(mén)的變截面組。拱肋是該橋梁的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土，同樣以梁?jiǎn)卧M連續(xù)梁。吊桿上的作用力為拉應(yīng)力，可采用桁架單元進(jìn)行模擬。

2.2 選取模型參數(shù)

2.2.1 材料參數(shù)

當(dāng)建模時(shí)，應(yīng)根據(jù)材料的特點(diǎn)，合理選取選料的技術(shù)參數(shù)。連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋涉及的工程材料包括Q345鋼材、鋼絞線以及混凝土，各材料的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2.2 載荷參數(shù)

在施工過(guò)程中，載荷對(duì)線形控制具有突出的影響，載荷分為恒載荷、掛籃載荷、預(yù)應(yīng)力載荷等。將掛籃的載荷設(shè)置為987.3kN/㎡，二期恒載荷設(shè)置為135kN/㎡。在預(yù)應(yīng)力張拉階段，將底板束和其他剩余鋼束分別張拉至標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的65%、70%。

3 連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋施工控制

3.1 線形控制方法及結(jié)果

由于該橋梁跨度和質(zhì)量較大，難以進(jìn)行整體吊裝，因此采用分段制作與合龍的施工方法，在此過(guò)程中，受到材料變形收縮、測(cè)量定位、施工質(zhì)量等多種因素的影響，有可能導(dǎo)致線形異變[1]。為了控制全橋線形，制定以下技術(shù)措施。

3.1.1 橋梁線形布點(diǎn)監(jiān)測(cè)

3.1.1.1 連續(xù)梁布點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)本項(xiàng)目的梁段施工特點(diǎn)，可將其劃分為邊孔梁段、合龍梁段、梁拱結(jié)合段、中孔梁段，其中將梁拱結(jié)合部位的梁段稱(chēng)為0#梁段，其他各梁段的編號(hào)及特點(diǎn)見(jiàn)表2。連續(xù)梁布點(diǎn)位置分布在橋面和梁底，邊孔梁段、中孔梁段組合在一起可形成若干混凝土塊件。

橋面布點(diǎn)方法：在0#梁段布置3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其余各塊件的橋面部位均布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。以2#塊件（由K2'和K2梁段組成）為例，在兩側(cè)邊腹板的中心位置處各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，記為2_1測(cè)點(diǎn)和2_5測(cè)點(diǎn)，在2#塊件的中心位置部署2_3測(cè)點(diǎn)，2_2測(cè)點(diǎn)和2_4測(cè)點(diǎn)在兩側(cè)箱室的軸向中心線上。

梁底布點(diǎn)方法：橋面寬度略大于梁底截面，因此在梁底布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將梁底沿著橫向斷面進(jìn)行五等分，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布置在五等分點(diǎn)上[2]。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量方法：在測(cè)量過(guò)程中使用高精度的水準(zhǔn)儀，橋梁結(jié)構(gòu)受到溫度的影響，存在一定變形伸縮量，為避免其影響測(cè)點(diǎn)結(jié)果，可在8：00—11：00或者17：00—19：00進(jìn)行測(cè)量，規(guī)避高溫時(shí)段。

3.1.1.2 拱肋布點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法

鋼管混凝土拱的主要結(jié)構(gòu)為拱肋，即最上部的拱形結(jié)構(gòu)，拱肋與連續(xù)梁之間設(shè)置有吊桿，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。拱肋的節(jié)段數(shù)量為15個(gè)，兩端拱腳預(yù)埋在混凝土連續(xù)梁內(nèi)，在中跨進(jìn)行合龍。除了預(yù)埋的拱腳節(jié)段和合龍段外，拱肋的剩余12個(gè)節(jié)段都要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可在其節(jié)段上粘貼直徑為3cm的反射片，利用全站儀進(jìn)行高程測(cè)量[3]。

3.1.1.3 連續(xù)梁立模標(biāo)高的計(jì)算方法

橋梁線形控制分為水平方向和垂直方向，對(duì)垂直方向的控制來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是掌握連續(xù)梁立模的標(biāo)高，一旦確定該指標(biāo)，就可以確定連續(xù)梁的底部和頂部標(biāo)高。立模標(biāo)高的計(jì)算方法如公式（1）所示。

H=H0+fs+fy+fg " （1）

式中：H為主梁梁底立模的標(biāo)高，根據(jù)梁的設(shè)計(jì)高度確定模板的高度；H0為主梁梁底的設(shè)計(jì)標(biāo)高；fs、fy分別為施工階段和橋梁運(yùn)營(yíng)階段的預(yù)拱度；fg為掛籃的變形值[4]。

橋梁結(jié)構(gòu)變形的機(jī)理較為復(fù)雜，與材料、預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)布局等很多因素存在緊密的聯(lián)系，公式（1）所示的理論計(jì)算方法往往與實(shí)際情況存在一定的差異，需要在施工過(guò)程中修正相關(guān)的參數(shù)或者模型[5]。修正方法及主要流程如下。①掌握連續(xù)梁線形，與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較，評(píng)估控制效果。②更新主梁的線形。③判斷可能的誤差來(lái)源及是否存在系統(tǒng)誤差。④用正裝分析法對(duì)結(jié)構(gòu)變形和受力進(jìn)行分析。⑤判斷能否將橋梁線形控制在允許范圍內(nèi)。⑥判斷是否可縮小誤差，如果可以就改進(jìn)模型。⑦如果誤差不能縮小，就繼續(xù)判斷是否為系統(tǒng)誤差。⑧如果為系統(tǒng)誤差，就建立修正方法及實(shí)施步驟。⑨修正之后再次進(jìn)行正裝分析。

3.1.2 橋梁線形控制結(jié)果分析

3.1.2.1 連續(xù)梁線形控制結(jié)果分析

連續(xù)梁的4個(gè)墩號(hào)分別為23#、24#、25#、26#，其中24#和25#為主跨的橋墩，二者之間的距離為160m。表3統(tǒng)計(jì)了24#橋墩部分節(jié)段底板軸線標(biāo)高的有限元分析法理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。綜合所有理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差異，其偏差為-0.009m～0.01m。由此可見(jiàn)，梁底中線偏差的最大值僅為10mm，與橋梁的幾何尺度相比，偏差非常小，說(shuō)明連續(xù)梁線形控制的效果較好。

3.1.2.2 拱肋線形控制結(jié)果分析

拱肋的線形監(jiān)測(cè)分為若干工況，包括拼裝階段、支架拆除階段、混凝土灌注階段、拱肋初步張拉階段、橋面鋪裝階段以及拱肋終張拉階段等，表4為混凝土灌注階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在拱肋終張拉階段，小里程拱腳、1/4跨、中跨、3/4跨、大里程拱腳對(duì)應(yīng)的實(shí)際撓度分別為0.0000m、-0.0002m、0.0012m、-0.0002m、0.0000m，有限元分析法計(jì)算的理論撓度為-0.0001m、-0.0003m、0.0014m、-0.0003m、-0.0001m。在橋面鋪裝階段，5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面對(duì)應(yīng)的實(shí)際撓度為-0.0002m、-0.0114m、-0.0210m、-0.0112m、-0.0001m，相應(yīng)的理論撓度為-0.0002m、-0.0123m、-0.0222m、-0.0123m、-0.0002m。

綜合各階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，拱肋線形監(jiān)測(cè)高程有限元分析理論值與實(shí)測(cè)值的最大偏差不超過(guò)5mm，說(shuō)明其線形控制效果良好，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)及控制效果

主梁和鋼管混凝土拱架需要進(jìn)行合龍、吊桿張拉等操作，在作業(yè)前后，兩種結(jié)構(gòu)的受力體系將發(fā)生較大變化，有可能導(dǎo)致應(yīng)力集中的問(wèn)題，為保障結(jié)構(gòu)受力的安全性，應(yīng)該監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)力分布[6]。

3.2.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)的布點(diǎn)方法

3.2.1.1 連續(xù)梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置11個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面。在23#墩和24#墩之間的邊跨設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，主跨在24#墩和25#墩之間，設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，25#墩和26#墩之間的邊跨設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。在每個(gè)斷面上須設(shè)置靈敏度較高的埋入式應(yīng)變傳感器，數(shù)量均為6個(gè)。

3.2.1.2 拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

拱肋為弧形結(jié)構(gòu)。設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，第1個(gè)斷面和第5個(gè)斷面在靠近拱腳的位置，第2個(gè)斷面和第4個(gè)斷面分別在1/4弧、3/4弧處，第3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在弧頂處。截面上拱肋鋼管的上側(cè)和下側(cè)均設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此每個(gè)斷面為2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)也是在多個(gè)工況下進(jìn)行，尤其是受力變化較大的情況，例如鋼管內(nèi)灌注混凝土、吊桿張拉[3]。

3.2.2 應(yīng)力控制的效果分析

3.2.2.1 連續(xù)梁應(yīng)力控制效果

將24#墩附近的應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面作為分析對(duì)象，截面的具體位置包括連續(xù)梁中跨的1/4處、1/2處以及梁根部。連續(xù)梁的應(yīng)力變化與施工工況具有直接關(guān)聯(lián)，須對(duì)施工工況進(jìn)行編號(hào)。例如，1#混凝土塊體的澆筑工序編號(hào)為G1，其對(duì)應(yīng)的張拉工序編號(hào)為G2，共41個(gè)工況。部分應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。綜合相關(guān)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論。該項(xiàng)目的連續(xù)梁為懸臂梁，主梁根部監(jiān)測(cè)斷面的相關(guān)數(shù)據(jù)表明：在實(shí)際施工過(guò)程中，梁整體受壓，并且壓力隨著懸臂長(zhǎng)度的增加而變大，實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論計(jì)算的應(yīng)力值較為接近，其整體變化趨勢(shì)基本吻合，實(shí)際應(yīng)力分布符合理論預(yù)期。

從主梁中跨1/4處梁段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在梁體澆筑的過(guò)程中，隨著澆筑工序的持續(xù)推進(jìn)，梁底壓力呈上升趨勢(shì)。中跨合龍后，連續(xù)梁體系完整，應(yīng)力分布進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)測(cè)應(yīng)力的變化趨勢(shì)與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，說(shuō)明應(yīng)力控制效果符合預(yù)期。

從主跨跨中斷面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)實(shí)施拱肋安裝、混凝土灌注、吊桿安裝等工況時(shí)，主梁跨中的應(yīng)力較為穩(wěn)定，僅當(dāng)?shù)鯒U初步張拉時(shí)出現(xiàn)了一定的應(yīng)力變化。但各階段的應(yīng)力變化值與理論值較為接近，整體的應(yīng)力變化趨勢(shì)與理論值保持一致，說(shuō)明拱肋施工并未影響連續(xù)梁的應(yīng)力穩(wěn)定性。

3.2.2.2 拱肋應(yīng)力控制效果

拱肋安裝完成后，還需要實(shí)施4個(gè)工況，包括灌注上管弦和下管弦混凝土、吊桿初步張拉、鋪裝橋面配套設(shè)施以及吊桿二次張拉。表6是拱肋上5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的部分應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)值。綜合拱肋應(yīng)力控制的相關(guān)數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論。拱肋下管弦的壓應(yīng)力整體明顯小于上管弦的壓應(yīng)力。上下管弦的壓應(yīng)力分別為-23.20MPa～69.12MPa、-0.55MPa～4.83MPa。

隨著吊桿張拉和路面鋪裝工程的推進(jìn)，拱肋受到的豎向載荷作用力持續(xù)增加，導(dǎo)致其管弦上的壓應(yīng)力隨之增加。

拱肋實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論計(jì)算的應(yīng)力值偏差較小，二者變化規(guī)律基本一致，說(shuō)明應(yīng)力控制效果符合預(yù)期。

4 結(jié)語(yǔ)

在連續(xù)梁-鋼管混凝土梁拱組合橋的施工中，采用分段澆筑連續(xù)梁、分段組裝拱肋的施工方案，為了有效控制全橋的線形和應(yīng)力分布，可在梁體、拱肋上下管弦的特定位置布置高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器，隨著工序的推進(jìn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)比實(shí)測(cè)值和計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值、理論計(jì)算數(shù)值，判斷施工過(guò)程的線形和應(yīng)力控制效果。經(jīng)檢驗(yàn)，該方法的工程管理效果較好。

參考文獻(xiàn)

[1]王志遠(yuǎn)，趙人達(dá)，趙成功，等.基于多軟件對(duì)比—協(xié)同下的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合橋分析研究[J].公路，2023，68（6）：210-217.

[2]武秀軍.梁拱組合橋拱肋大節(jié)段不對(duì)稱(chēng)拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)[J].價(jià)值工程，2023，42（8）：70-72.

[3]方芳，楊軒，武時(shí)宇，等.中跨采用梁拱組合的三跨連續(xù)梁橋參數(shù)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代交通與冶金材料，2022，2（4）：31-36.

[4]廖偉華.大挑臂下承式連續(xù)梁拱組合橋拱梁節(jié)點(diǎn)受力研究[J].城市道橋與防洪，2020（7）：121-124，17.

[5]肖亮.高鐵大跨徑梁拱組合橋吊桿測(cè)試技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（10）：72-76，81.

[6]劉美銘.高速鐵路連續(xù)梁拱組合橋鋼管拱拼裝方案設(shè)計(jì)研究[J].鐵路工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2020，35（2）：54-58.