下承式鋼筋混凝土系桿拱橋的線形控制

劉 鵬 李濤章

（南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011）

0 引言

下承式鋼筋混凝土系桿拱橋是一種梁拱組合體系結(jié)構(gòu)，具有建筑高度低和地基適應(yīng)能力強的優(yōu)點。徐洪河1 號橋位于南水北調(diào)東線第一期工程江蘇境內(nèi)運西線上，主橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼筋混凝土系桿拱，計算跨徑為75 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線。系桿采用1.8 m×1.2 m 的箱形截面，拱肋采用1.6 m×1.2 m 的工字形截面，系桿和拱肋為鋼筋混凝土剛性構(gòu)件；吊桿采用外徑為84 mm 的OVM.GJ15-12 鋼絞線成品索，吊桿為柔性構(gòu)件。

主橋施工采用少支架法，起重船分段吊裝，吊桿分級張拉。在各個施工階段的多種工況下，構(gòu)件都會產(chǎn)生變形和位移，引起應(yīng)力重分布，影響系桿拱橋的運行安全。因此，系桿拱橋線形控制是實現(xiàn)成橋總體目標(biāo)的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1 影響因素及預(yù)測值

主橋支架下部采用鋼管樁基礎(chǔ)，上部采用鋼管立柱；支架拆除后，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，主橋呈裸拱狀態(tài)。因此，基礎(chǔ)沉降、支架變形和構(gòu)件自身變形是影響主橋線形的主要因素，應(yīng)對其進行科學(xué)的預(yù)測和響應(yīng)。

1.1 基礎(chǔ)沉降

支架下部采用鋼管樁貝雷梁組合（如圖1），鋼管樁布置在拱肋濕接頭的下端，每組由8 根Φ500 mm×δ8 mm 的鋼管，間距1.5 m，用振動錘施打嵌入河床15 m 構(gòu)成樁基礎(chǔ)，鋼管之間用［10 槽鋼平聯(lián)和斜撐；鋼管樁頂部縱向用Ⅰ32a 工字鋼聯(lián)系，縱向工字鋼頂部安放8 個30 cm 高的砂筒（外筒20 cm、內(nèi)筒20 cm），砂筒頂部橫向用Ⅰ32a 工字鋼聯(lián)系；橫向工字鋼頂部由4 榀規(guī)格為1.5 m×3 m貝雷片間距0.8 m 組成縱向貝雷梁。

鋼管樁基礎(chǔ)沉降值是確定安裝高程的一個提前量，通常采用等荷載預(yù)壓法消除非彈性變形，測出彈性變形值。但以中間段支架為例，每組鋼管樁上部承受集中荷載為750 kN（系桿290 kN 和拱肋460 kN），貝雷梁頂面寬度僅2.4 m，作業(yè)空間不具備堆放等荷載砂袋的條件。因此，采用低荷載逐級加載觀測法，繪出荷載-沉降關(guān)系線，預(yù)測滿荷載時的沉降值。

圖1 支架立面圖

圖2 荷載-沉降關(guān)系曲線

如圖2，從關(guān)系曲線圖觀測分析：當(dāng)荷載增加到300 kN 后，沉降幅度略減少，荷載-沉降關(guān)系為緩變型，無明顯的拐點破壞特征。由此測算出系桿安裝后，鋼管樁基礎(chǔ)沉降13 mm；預(yù)測出拱肋安裝后，基礎(chǔ)沉降累計為23 mm。

1.2 支架變形

上部支架每組由2 根Φ500 mm×δ8 mm 鋼管立柱構(gòu)成。因為系桿是全預(yù)應(yīng)力混凝土空心箱形構(gòu)件，不能作為上部支架的承重基礎(chǔ)，所以鋼管立柱安放在下部支架的橫向工字鋼梁上，與貝雷梁不聯(lián)系。立柱頂部橫向用兩排Ⅰ32a 工字鋼并列聯(lián)系，工字鋼頂面鋪放中心高度為15 cm 的梯形枕木。

支架變形主要考慮鋼管立柱、工字鋼的彈性變形和砂筒、梯形枕木的壓縮變形，以拱肋A 段支架為例。

1.2.1 鋼管立柱變形

立柱采用Φ500 mm×δ8 mm 的鋼管，其變形主要考慮豎向受壓引起的變形，用胡克定律公式計算。鋼管立柱承擔(dān)的荷載為114 kN，柱高為15 m，截面積為6330 mm2，彈性模量為2.1×105MPa。

應(yīng)力σ=P/A=18 MPa；

應(yīng)變ε=σ/E=0.000086。

計算得變形量ΔL=L×ε=15000×0.000086=1.29 mm。

1.2.2 橫向鋼梁變形

立柱頂部橫向采用I32a 工字鋼聯(lián)系，其變形主要考慮撓度變形，采用撓度公式計算。

均布線荷載q=P/L=76 kN/m；

計算得撓度fmax=5qL4/（384EI）=0.21 mm。

1.2.3 支座壓縮變形

系桿下部支座采用砂筒，拱肋底部支座采用梯形枕木，其壓縮變形值分別選用經(jīng)驗值為5 mm 和2 mm。

1.3 構(gòu)件自身位移

構(gòu)件包括系桿、拱肋和吊桿，其自身變形主要考慮豎向上拱下?lián)系奈灰坪偷鯒U兩端孔位的偏移，未考慮構(gòu)件的溫度變形、徐變等。

1.3.1 豎向位移

根據(jù)構(gòu)件尺寸和材料特性，應(yīng)用平面桿系程序橋梁博士（V3.0.3 版），在單幅上部結(jié)構(gòu)離散144 個單元建模，劃分7 個施工階段。從仿真計算結(jié)果分析：在構(gòu)件吊裝、支架拆除、吊桿張拉、系桿預(yù)應(yīng)力束張拉、橋面系恒載施加五個關(guān)鍵工況下，剛性構(gòu)件變形明顯，豎向位移預(yù)測結(jié)果如下：

拱肋吊裝后，支架發(fā)生二次變形，系桿有下?lián)馅厔荩恢Ъ懿鸪?，系桿跨中下?lián)?0.5 mm，拱肋跨中下?lián)?.8 mm；張拉吊桿后，系桿跨中上拱3.3 mm，拱肋跨中下?lián)?.3 mm；系桿預(yù)應(yīng)力束張拉后，系桿跨中上拱3.7 mm，拱肋跨中上拱1.5 mm；橋面系恒載施加后，系桿四分點下?lián)?.9 mm，跨中下?lián)?.1 mm。

1.3.2 孔位偏移

吊桿線形主要由拱肋和系桿上下兩個吊孔預(yù)埋鋼管的平面位置決定。吊桿屬柔性構(gòu)件，成品索外徑為84 mm，預(yù)埋鋼管內(nèi)徑為128 mm，理論間隙為22 mm。

2 控制措施

豎向位移的控制措施有：預(yù)先抬高安裝高程，設(shè)置預(yù)拱度和預(yù)拋高，千斤頂臨時支撐等?？孜黄频目刂拼胧┯校旱蹩字休S線定位，起重船移位，千斤頂微調(diào)。

2.1 豎向位移

支架搭設(shè)時，考慮鋼管樁基礎(chǔ)沉降和支架變形，預(yù)先抬高安裝高程。系桿底部高程利用砂筒支座高度調(diào)整，拱肋底部高程利用梯形枕木斷面尺寸調(diào)整，可形成一個穩(wěn)固可調(diào)的支撐體系。

吊裝拱肋時，在系桿下方安放手搖式千斤頂，作為臨時支撐，補償支架二次沉降量，持續(xù)到張拉力能夠平衡系桿自重時。

支架拆除時，按照從跨中向兩端的順序?qū)ΨQ均衡進行，為抵消構(gòu)件因自重而產(chǎn)生的下?lián)狭?，在?gòu)件預(yù)制階段，系桿跨中設(shè)置預(yù)拱度，拱肋跨中設(shè)置預(yù)拋高。

張拉吊桿時，保持對稱逐級張拉，對吊桿張拉力和構(gòu)件位移實行“雙控”，反復(fù)迭代優(yōu)化索力，使構(gòu)件彎矩和位移均達到最佳狀態(tài)。

系桿預(yù)應(yīng)力束張拉時，系桿有上拱趨勢，考慮恒載施加時，系桿有下?lián)馅厔?，上下量值在一定程度上可自相平衡?/p>

2.2 孔位偏移

在預(yù)制階段，系桿立模時，吊孔預(yù)埋鋼管中心應(yīng)與底模軸線上標(biāo)出的中心相吻合，鋼管立面保持豎直。拱肋為平臥預(yù)制，吊孔預(yù)埋鋼管水平度用相對高程控制，軸線位置用經(jīng)緯儀標(biāo)定。拆模后，及時在構(gòu)件側(cè)面彈出吊孔中軸線。

在吊裝階段，先通過平移起重船調(diào)整好構(gòu)件的軸線位置，再用吊線錘檢驗吊孔中心或中軸線，初定立面位置，最后用觀測墩上的全站儀校核各吊孔控制點坐標(biāo)，通過千斤頂微調(diào)構(gòu)件達到目標(biāo)控制位置。就位后，及時用圓鋼或槽鋼在濕接頭處牢固支撐，焊定搭接鋼筋，防止拱肋下滑或軸線偏位。

3 過程監(jiān)測

變形測量按照國家三等水準的要求，采用DS-2 水準儀和FS-1 平板測微器，變位測量采用高精度全站儀。在鋼管樁頂部、橫向工字鋼頂部、吊孔中軸線上緣（預(yù)埋Φ16 鋼筋）設(shè)置監(jiān)測點，對施工過程進行跟蹤實測分析。測量工作應(yīng)安排在氣溫比較穩(wěn)定的6 ∶00～8∶00 間。

3.1 構(gòu)件吊裝

系桿吊裝后，鋼管樁基礎(chǔ)沉降12 mm，支架變形3 mm；拱肋吊裝后，鋼管樁基礎(chǔ)沉降累計21 mm，支架變形累計10 mm，拱肋底緣實測高程與控制高程最大偏差為5 mm，預(yù)先抬高值與實際沉降量基本相符，參見表1。

拱肋吊裝造成系桿標(biāo)高下降，因為支架未進行等荷載預(yù)壓，后期施加拱肋重量時，造成系桿支架發(fā)生了二次變形。故為避免系桿底部混凝土脫架開裂，采用千斤頂作臨時支撐，及時補償變形量。

3.2 支架拆除

支架拆除后，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，系桿和拱肋因自重產(chǎn)生一定程度的下?lián)?。系桿跨中下?lián)?2 mm，拱肋跨中下?lián)? mm。為使系桿和拱肋線形與目標(biāo)控制線形相吻合，構(gòu)件預(yù)制時設(shè)置預(yù)拱度和預(yù)拋高可基本上抵消下?lián)狭恐?。同時監(jiān)測得系桿和拱肋吊孔中心平面位置偏差值最大為7 mm，在控制范圍內(nèi)。

3.3 吊桿張拉

張拉吊桿后，系桿跨中上拱2.2 mm，拱肋跨中下?lián)?.5 mm。張拉過程中，可通過張拉力和位移進行“雙控”，反復(fù)調(diào)整索力，及時修正線形。

3.4 系桿預(yù)應(yīng)力束張拉

系桿預(yù)應(yīng)力束張拉后，系桿跨中上拱3.5 mm，拱肋跨中上拱1.2 mm；橋面系恒載施加后，系桿四分點下?lián)?.5 mm，跨中下?lián)?.8 mm，系桿在這兩種工況下的位移得到了互相平衡。

從表2 可以看出：拱肋拼裝后，支架變形偏差值為1.5 mm，原因是砂桶實際壓縮變形值比預(yù)測值增加，因此，應(yīng)采用級配良好的中砂，用水密法振動密實，以減少變形量；支架拆除后，吊孔中心最大偏位為7 mm，原因是構(gòu)件變形時，預(yù)留孔位隨之發(fā)生偏位，因此，在立模時應(yīng)預(yù)設(shè)孔位的側(cè)向變形量，避免吊桿張拉時，柔性和剛性構(gòu)件接觸而產(chǎn)生附加應(yīng)力；吊桿張拉后，系桿跨中上拱偏差值為1.1 mm，原因是張拉計算時，采用的成品索彈性模量理論值與實際值有偏差，張拉力先到達了目標(biāo)控制值，因此，對成品索應(yīng)進行試驗檢測，采用實測彈性模量，以精確測算出變形量。

表1 拱肋安裝底緣標(biāo)高

表2 實測值與預(yù)測值對比表

4 結(jié)語

（1）為滿足系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特征要求，在施工過程中，需要采取多重多項控制措施，以達到設(shè)計線形目標(biāo)。監(jiān)測結(jié)果表明，本工程線形控制方案合理，措施得當(dāng)，效果明顯，成橋線形符合設(shè)計要求。

（2）在同類橋梁施工中，豎向位移宜重點控制構(gòu)件預(yù)拱度，以平衡落架后構(gòu)件自重引起的下?lián)狭?；平面位移宜重點控制上下孔位的同心度，保證預(yù)留孔和成品索間隙。

（3）有限元分析軟件在系桿拱橋線形控制中已得到有效應(yīng)用。隨著測量技術(shù)和安裝工藝的進步，可以采用先進的方法進行更精確地控制。如：運用三維坐標(biāo)法，合理修正線形；嘗試采用無支架纜索吊裝法，減少支架變形的附加影響，優(yōu)化目標(biāo)線形。

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