某特大鋼管混凝土拱橋吊裝施工監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)探討

顏炳玲 張曉鵬 張文華 王春健

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024005)

1 橋梁施工監(jiān)控的意義

施工監(jiān)控是對(duì)施工過(guò)程中的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和調(diào)控，確保系統(tǒng)處于可知可控狀態(tài),并保證施工安全并按預(yù)期進(jìn)行，根據(jù)有限元軟件計(jì)算，通過(guò)一定的技術(shù)監(jiān)測(cè)方法對(duì)各關(guān)鍵截面在各個(gè)施工階段的位移變化和受力情況進(jìn)行分析對(duì)比修正計(jì)算，準(zhǔn)確設(shè)置預(yù)拱度值,避免積累誤差,得出各施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制及線形控制數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)下工序、節(jié)段施工，保障橋梁在整個(gè)施工過(guò)程中及成橋狀態(tài)的內(nèi)力和線形，從而有效的控制橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

目前常用的鋼管混凝土拱橋的施工方法可分為如下幾種：支架施工法、轉(zhuǎn)體施工法、千斤頂斜拉扣掛懸拼架設(shè)法、纜索吊裝施工法。纜索吊裝由于具有跨越能力大,水平和垂直運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活,適應(yīng)性廣,施工比較穩(wěn)妥方便等優(yōu)點(diǎn),在拱橋施工中被廣泛采用。這種施工方法需在施工時(shí)對(duì)主纜受力和垂度進(jìn)行精確控制,一般在施工控制計(jì)算時(shí)采用前進(jìn)法確定主纜最終的受力狀態(tài),以及各段拱肋吊點(diǎn)位置的坐標(biāo)然后再用倒退分析法確定各段拱肋在吊裝時(shí)的吊點(diǎn)抬高量,目的是使最后一段拱肋吊裝到位時(shí),其他各拱肋段均在設(shè)計(jì)坐標(biāo)值的位置附近,以便使拱肋合龍時(shí),調(diào)整各段坐標(biāo)值的工作量最小,并使成橋后的拱軸線與設(shè)計(jì)拱軸線相吻合。

2 工程概況及吊裝方案設(shè)計(jì)

某特大橋橋梁全長(zhǎng)545.54 m，主橋?yàn)?- 430 m鋼管混凝土拱橋，橫跨峽谷，該峽谷兩岸懸崖陡立，相對(duì)高差755 m，谷底寬30 m，地形復(fù)雜，施工條件極為困難。主橋拱跨430 m，主拱圈斷面采用鋼管混凝土與鋼管組成的桁架式斷面，拱肋寬度為4.0 m。主拱圈鋼管外徑1 200 mm，拱肋鋼管內(nèi)泵送填充C50高強(qiáng)混凝土，拱上立柱蓋梁采用加勁鋼箱結(jié)構(gòu)。

主拱肋吊裝利用無(wú)支架纜索起重機(jī)起吊，采用無(wú)塔架扣掛體系雙肋整體起吊的組拼方式，主拱線形較易控制,兩岸引橋橋面作為拼裝平臺(tái)。利用交界墩蓋梁頂現(xiàn)澆塊作為扣索錨梁，利用兩岸橋臺(tái)作為錨索錨梁。

吊裝系統(tǒng)主要由纜索、扣墩、扣錨索和錨碇組成。纜索根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工地形條件,本方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮不用吊塔,主纜索直接錨固在巖錨上。這樣既可以減少吊塔用萬(wàn)能桿件、塔頂型鋼分配梁等鋼材數(shù)量,又可以不用索鞍,從而節(jié)約施工成本。

扣墩及錨梁利用交界墩作為扣塔,用交界墩蓋梁頂現(xiàn)澆塊作為扣索錨梁,布設(shè)扣、錨索。交界墩采用雙柱鋼筋混凝土薄壁空心墩,墩身采用30號(hào)混凝土。扣、錨索因施工場(chǎng)地不允許布設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī),扣、錨索不可能采用鋼絲繩,因而均采用鋼絞線。錨索的錨旋采用巖錨并利用兩岸橋臺(tái)臺(tái)身作為錨梁,臺(tái)前和臺(tái)后兩面分別錨固巖錨錨桿和錨索,大大方便了施工。

主拱肋構(gòu)件均采用節(jié)點(diǎn)板高強(qiáng)螺栓連接,在工廠加工并進(jìn)行預(yù)拼,以散件運(yùn)抵橋梁現(xiàn)場(chǎng),在拼裝平臺(tái)上復(fù)拼為大節(jié)段后吊裝就位,大段接頭及桿件節(jié)點(diǎn)均采用“先栓后焊,栓焊結(jié)合”的原則連接,即管內(nèi)端部設(shè)法蘭盤(pán),采用高強(qiáng)螺栓連接,管外沿接縫圍焊一周。在拱頂設(shè)60 cm的合龍段。拱上立柱和立柱蓋梁采用加勁鋼箱結(jié)構(gòu),全橋拱上立柱共計(jì)40組,在工廠加工為整體梁,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)吊裝。

3 施工監(jiān)控的工作要求

本橋?qū)儆诖罂鐝戒摴芑炷凉皹?，在施工過(guò)程中的每一環(huán)節(jié)中，需嚴(yán)格保證各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力、截面應(yīng)力均不得超出規(guī)范規(guī)定值。大跨度上承式鋼管混凝土拱橋的施工監(jiān)控就是在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求下，對(duì)橋梁施工各個(gè)環(huán)節(jié)主要控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，形成參考數(shù)據(jù)，指導(dǎo)下一階段施工，對(duì)結(jié)構(gòu)幾何變形、應(yīng)力進(jìn)行雙控，使成橋線形和內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求。

3.1 受力要求

主要進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控。鋼管混凝土拱橋主拱圈截面的應(yīng)力和吊桿張拉力的監(jiān)測(cè)來(lái)了解實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)吊桿張拉力制定張拉方案(主要包括張拉順序和張拉次數(shù))，結(jié)構(gòu)應(yīng)力失控的狀況不易暴露，出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)，這不但關(guān)系到了橋梁成橋使用階段的安全和使用，同時(shí)也密切關(guān)系到施工過(guò)程的安全。

3.2 線形要求

拱橋在施工過(guò)程中存在各種不可控因素，如混凝土收縮、徐變特性、施工荷載的變化、溫度的變化等會(huì)造成橋面線形出現(xiàn)起伏，導(dǎo)致拱肋對(duì)中合龍出現(xiàn)困難，并且造成結(jié)構(gòu)的局部?jī)?nèi)力出現(xiàn)異常。線形控制主要是監(jiān)測(cè)主拱圈軸線的線形誤差和控制點(diǎn)標(biāo)高，并隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使橋梁的成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 指導(dǎo)糾偏

利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)糾偏、調(diào)整。大跨橋梁的施工控制需要在施工階段不斷的進(jìn)行誤差識(shí)別和參數(shù)修正,實(shí)測(cè)每個(gè)施工階段鋼管拱肋的標(biāo)高及軸線位置以反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài),并更好的指導(dǎo)后續(xù)階段的施工,必須采用適應(yīng)現(xiàn)代控制理論的要求的優(yōu)化計(jì)算。可通過(guò)張拉扣索、風(fēng)纜、修正管內(nèi)混凝土灌注方案和順序進(jìn)行調(diào)整。

4 施工過(guò)程仿真計(jì)算及施工監(jiān)控流程

4.1 施工過(guò)程仿真計(jì)算

采用有限元分析軟件建立空間有限元模型,選定合理的計(jì)算方法確定結(jié)構(gòu)受力和變形的理想狀態(tài),進(jìn)行主拱圈吊裝施工階段數(shù)值仿真分析,確保施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處在安全范圍內(nèi),合龍后結(jié)構(gòu)受力處于最優(yōu)狀態(tài)，成橋后的拱肋線形符合設(shè)計(jì)期望,實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝預(yù)測(cè)和施工模擬。

施工過(guò)程計(jì)算包括以下內(nèi)容：

1)空鋼管安裝各階段(吊扣、合龍、松扣等階段)內(nèi)力、應(yīng)力、撓度及安裝標(biāo)高計(jì)算；

2)灌注鋼管混凝土過(guò)程各階段內(nèi)力、應(yīng)力、撓度計(jì)算；

3)安裝拱上立柱、蓋梁、橋面系等各階段，鋼管混凝土拱肋的內(nèi)力、應(yīng)力、位移計(jì)算；

4)各階段扣、錨梁受力分析；

5)根據(jù)施工過(guò)程隨時(shí)進(jìn)行的控制計(jì)算；

6)其他必要的計(jì)算。

4.2 施工監(jiān)控流程

鋼管混凝土拱橋施工過(guò)程的影響因素較多，而且要經(jīng)歷階段施工和體系轉(zhuǎn)換等工序，由于混凝土的收縮徐變、拱段的重量、軸線偏位、施工荷載和扣索張拉力等因素，會(huì)導(dǎo)致線形偏離。對(duì)應(yīng)不同的橋梁結(jié)構(gòu)、具體監(jiān)控對(duì)象和施工方法，應(yīng)采用不同的施工監(jiān)控方法。目前通行的橋梁施工監(jiān)控方法有：開(kāi)環(huán)控制法、閉環(huán)控制法、自適應(yīng)控制法、最大寬容度法等。本橋梁的施工控制流程圖見(jiàn)圖1。

橋梁結(jié)構(gòu)在各階段施工時(shí)，由于實(shí)際的施工各種條件與設(shè)計(jì)階段的理論條件有偏差，會(huì)導(dǎo)致線形和內(nèi)力偏差，運(yùn)用適當(dāng)?shù)恼`差分析理論，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正。對(duì)識(shí)別參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，為橋梁施工中準(zhǔn)確的提供預(yù)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行施工控制過(guò)程的預(yù)測(cè)。

5 施工控制中應(yīng)該引起注意的問(wèn)題

1)立柱預(yù)偏量設(shè)置。在主拱圈合龍完成后，隨著立柱及橋面荷載的不斷增加，主拱圈標(biāo)高發(fā)生變化，這時(shí)導(dǎo)致立柱會(huì)隨之發(fā)生一定的傾斜。這就要求立柱安裝時(shí)必須設(shè)置一定的預(yù)偏量，預(yù)偏量根據(jù)立柱安裝前到施加橋面荷載后，立柱位置處所發(fā)生的轉(zhuǎn)角來(lái)確定。達(dá)到成橋后立柱處于豎直的位置。

2)根據(jù)計(jì)算拱肋吊裝過(guò)程中的穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置足夠數(shù)量的纜風(fēng)繩，保證吊裝過(guò)程的穩(wěn)定性。

3)風(fēng)荷載測(cè)試。在大風(fēng)來(lái)到時(shí)，測(cè)試鋼管的應(yīng)力情況，保證施工安全。