鋼管混凝土系桿拱橋拱肋及吊桿施工監(jiān)控

秦翱翱，劉世忠，李明哲，楊少波，謝興定

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵七局集團(tuán) 第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

鋼管混凝土系桿拱橋是一種拱、梁組合體系橋梁，它充分發(fā)揮系梁受拉彎、拱受壓彎的結(jié)構(gòu)性能[1]。這種拱橋內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)，外部為靜定結(jié)構(gòu)，拱的水平推力由系梁承擔(dān)，很好地解決了普通推力拱橋?qū)Φ鼗蟾叩膯栴}。該類拱橋的拱肋采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，它是將鋼管內(nèi)灌注高強(qiáng)度混凝土，借助鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，極大地提高了核心混凝土的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力。由于此類拱橋豎向剛度大、施工較方便，近年來鋼管混凝土系桿拱橋已廣泛應(yīng)用于高速鐵路中。

1 工程概況

圖1 結(jié)構(gòu)整體布置(單位：cm)

鄭萬鐵路河南段128 m鋼管混凝土系桿拱橋(見圖1)上跨永登高速公路，全長130.3 m，計算跨度128 m。系梁兩端采用實(shí)心矩形截面，普通段采用單箱三室截面。拱肋平面內(nèi)矢高25.6 m，矢跨比1/5，采用懸鏈線線形并在橫橋向內(nèi)傾9°形成提籃式。拱肋截面為啞鈴形鋼管混凝土截面，上、下鋼管及腹腔均為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，鋼管及腹腔內(nèi)填充C55補(bǔ)償收縮混凝土。兩拱肋在拱頂處設(shè)1道X形橫撐，在拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K形橫撐。全橋共設(shè)56根吊桿，采用尼爾森體系布置。設(shè)計速度為350 km/h。

該橋采用“先梁后拱法”施工，系梁采用鋼管支架原位澆筑，鋼管拱肋由工廠分段加工后運(yùn)送到施工現(xiàn)場拼裝[2]。鋼管拱肋拼裝采用“立拼”形式[3]，拼裝從拱腳向跨中依次進(jìn)行，當(dāng)拱肋全部拼裝完成并檢驗(yàn)合格后進(jìn)行拱肋混凝土泵送。泵送按照先上管、再下管、后腹腔的順序，采用一級泵送一次到頂?shù)氖┕し椒ㄌ畛渌泄袄呋炷痢４袄呋炷翉?qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后拆除拼拱支架并進(jìn)行吊桿安裝，吊桿全部安裝完成后，采用上部張拉方式按照設(shè)計的張拉順序每4根為1組對稱張拉。吊桿初張拉完成后檢測每一根吊桿索力值，對索力實(shí)測值與理論值誤差超過±3%的吊桿進(jìn)行調(diào)整，直至索力滿足設(shè)計要求。

2 監(jiān)控內(nèi)容

2.1 拱肋線形監(jiān)控

拱肋的線形監(jiān)控是指在不同的施工階段通過儀器對拱肋各測點(diǎn)的標(biāo)高、軸線偏位等進(jìn)行監(jiān)測，并將測量結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，確保拱肋在施工過程中的實(shí)際線形與預(yù)期線形之間的誤差在設(shè)計容許范圍內(nèi)[4]。

本工程上跨永登高速公路，車流量較大，為保證施工人員的安全且不干擾交通，針對工程情況提出了運(yùn)用HF-5B型橋梁光電撓度儀進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測拱肋撓度的措施。該儀器測量精度高、測程遠(yuǎn)且易于安裝。其測試原理是將靶標(biāo)發(fā)出的光學(xué)信號通過主機(jī)轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸?shù)诫娔X以數(shù)據(jù)和圖形的形式顯示，測試時只需標(biāo)定靶標(biāo)和追蹤靶標(biāo)位置即可。在監(jiān)測過程中分別選取拱腳、1/4拱、拱頂作為關(guān)鍵截面，每個截面布置1個測點(diǎn)。在拱肋混凝土填充、拼拱支架拆除及吊桿張拉過程中分別監(jiān)測各測點(diǎn)的最大撓度，拱肋線形監(jiān)測如圖2所示。

圖2 線形監(jiān)測點(diǎn)布置

2.2 拱肋應(yīng)力監(jiān)控

在拱肋的施工過程中，在拱肋的控制截面處埋設(shè)應(yīng)力測試元件以測定施工階段拱肋的應(yīng)力。將測量結(jié)果與施工控制中其他測量結(jié)果相結(jié)合，全面地判斷全橋的內(nèi)力狀態(tài)，形成一個較好的預(yù)警機(jī)制，從而安全可靠地實(shí)施施工控制[5]。

針對拱肋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及施工特點(diǎn)，采用JMZX-3001綜合測試儀和JMZX-212智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計作為測量儀器。該儀器可直接測量拱肋的應(yīng)變、溫度等物理量，具有檢測速度快、精度高、操作簡單等特點(diǎn)，對于施工工期長、控制計算精度要求高的拱橋監(jiān)控工作是十分方便和必要的。在監(jiān)測過程中選取拱肋的拱腳、1/4拱、拱頂作為監(jiān)測截面，每個截面布置2個測點(diǎn)，靶標(biāo)、傳感器位置如圖3所示。

圖3 靶標(biāo)、傳感器位置

2.3 吊桿索力監(jiān)控

根據(jù)設(shè)計擬定的張拉順序2→4→6→8→10→12→3→5→7→9→11→13→14→1依次張拉每根吊桿，在吊桿張拉和索力調(diào)整過程中，需對吊桿索力進(jìn)行監(jiān)控，以保證各個施工階段吊桿索力的實(shí)際值與設(shè)計值的誤差滿足設(shè)計要求。吊桿索力測試采用振動頻譜分析法，其原理是根據(jù)吊桿的自振頻率與吊桿索力之間的特定關(guān)系來確定吊桿索力[6]。索力調(diào)整是根據(jù)影響矩陣原理，通過有限元仿真模型提取出吊桿張拉影響矩陣，利用影響矩陣求出索力施調(diào)量，使得吊桿經(jīng)一次調(diào)整即可達(dá)到設(shè)計要求的目的[7]。

3 有限元模型建立

運(yùn)用橋梁大型軟件MIDAS/Civil建立全橋有限元模型模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行橋梁有限元離散化。吊桿在系梁錨固點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)，通過主從自由度建立吊桿錨點(diǎn)與系梁節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系[8]。建模過程中系梁、拱腳、拱肋采用梁單元，吊桿采用桿單元，系梁和拱肋交接處采用剛域處理。荷載的橫向作用通過車道的橫向聯(lián)系進(jìn)行橫向模擬[9]。全橋共分為322個梁單元，56個桿單元，311個節(jié)點(diǎn)。

4 監(jiān)控結(jié)果分析

4.1 拱肋線形監(jiān)控結(jié)果分析

在拱肋線形監(jiān)控過程中，重點(diǎn)監(jiān)控測點(diǎn)在各施工階段的位移量，并將監(jiān)控實(shí)際值與有限元計算理論值進(jìn)行對比，由分析結(jié)果可知：

1)截止8施工階段為止，拱頂?shù)奈灰评塾嬃孔畲螅_(dá)到74 mm，且各測點(diǎn)位移變化趨勢相同。在3，4，5施工階段，各測點(diǎn)處的位移量較小，主要是由支座沉降產(chǎn)生；而在6，8施工階段，各測點(diǎn)位移量較大，主要是由拼拱支架拆除和吊桿張拉導(dǎo)致的拱肋變形產(chǎn)生。

2)各測點(diǎn)實(shí)際值與理論值發(fā)展趨勢吻合良好，整個施工階段拱肋線形合理且處于安全范圍之內(nèi)，說明有限元模型的建立和邊界條件的模擬符合工程實(shí)際，驗(yàn)證了有限元模型及其主從節(jié)點(diǎn)位移、內(nèi)力協(xié)調(diào)條件的正確性。

拱頂(測點(diǎn)3)的累計位移如圖4所示。

圖4 拱頂施工階段累計位移

4.2 拱肋應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果分析

在拱肋應(yīng)力監(jiān)控過程中，重點(diǎn)監(jiān)控拱肋上緣、下緣在各施工階段的應(yīng)力變化情況。由分析結(jié)果可知：拱肋上緣、下緣在各施工階段的應(yīng)力變化趨勢與理論值一致，各測點(diǎn)的實(shí)測值與理論值偏差幅度在5 MPa以內(nèi)，屬于合理范圍。拱肋各測點(diǎn)最大應(yīng)力值均在100 MPa 以內(nèi)，各測點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢一致，與有限元理論計算吻合較好，整個施工過程無異常應(yīng)力現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)力水平均在安全范圍之內(nèi)。

拱頂(測點(diǎn)3)在各施工階段的應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 拱頂施工階段累計應(yīng)力

圖6 吊桿索力實(shí)測值與設(shè)計值對比

4.3 吊桿索力監(jiān)控結(jié)果分析

在吊桿初張拉完成后，需對所有吊桿索力進(jìn)行測試，對索力不符合設(shè)計要求的吊桿進(jìn)行調(diào)整，保證調(diào)整后的索力值在設(shè)計容許范圍內(nèi)。限于篇幅，僅列出調(diào)整后的西側(cè)第1組1～14號吊桿的實(shí)測值與理論值，如圖6所示。由分析可知：1，2，4號吊桿索力相比其他吊桿索力大，主要是由于拱腳處剛度較大所致。調(diào)整后的吊桿實(shí)測值與理論值基本一致，相對誤差值控制在±3%以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文以鄭萬鐵路河南段128 m鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，通過對拱肋及吊桿全過程施工監(jiān)測與線形控制，得出以下結(jié)論：

1)在拱肋線形監(jiān)控中，拱肋撓度主要由拼拱支架拆除后拱肋自重及吊桿張拉產(chǎn)生，線形控制主要通過設(shè)置預(yù)拱度實(shí)現(xiàn)。通過與有限元仿真模型計算數(shù)據(jù)對比，拱肋撓度實(shí)測值與理論值吻合良好，實(shí)測撓度值與結(jié)構(gòu)力學(xué)計算結(jié)果相符，整體線形控制較好，滿足設(shè)計要求。

2)在拱肋應(yīng)力監(jiān)控中，各施工階段拱肋應(yīng)力變化平緩，拱肋主要承受壓應(yīng)力，應(yīng)力值均在安全范圍以內(nèi)。通過與有限元仿真模型計算數(shù)據(jù)對比，各測點(diǎn)理論值與實(shí)測值接近，拱肋受力符合結(jié)構(gòu)力學(xué)計算圖式，從而保證了成橋內(nèi)力與設(shè)計內(nèi)力的一致。

3)在吊桿索力監(jiān)控中，通過有限元仿真模型提取出吊桿張拉影響矩陣，該矩陣得到了現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，對超出設(shè)計允許誤差的吊桿進(jìn)行索力調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了一次調(diào)整到位的目的。最終索力實(shí)測值與設(shè)計值的相對誤差控制在±3%以內(nèi)，達(dá)到了高精度索力控制。