主跨320 m勁性骨架拱橋拱肋外包混凝土施工階段監(jiān)控

路方超，吳海軍，陸萍，廖超

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400047)

1 工程概況

圖1 主橋立面布置示意圖 圖2 拱肋截面示意圖

新建廣安官盛渠江大橋位于廣安市前鋒區(qū)，為跨越官盛鎮(zhèn)和護(hù)安鎮(zhèn)，改善廣安規(guī)劃工業(yè)園區(qū)的物流交通狀況而建設(shè)的大跨徑中承式勁性骨架拱橋。官盛渠江大橋的立面布置圖如圖1所示，圖1中單位為m。拱肋外包混凝土后截面示意圖如圖2所示，圖2中單位為cm。主孔凈跨徑300 m一跨過江，不考慮船撞，全橋長793 m，其中主橋長320 m，引橋長(338+135) m；凈矢跨比f/L=1/4，拱軸系數(shù)m=1.5。拱圈為單箱單室的箱型截面，拱肋的拱腳至拱頂截面徑向高度為3.5～6.0 m，為懸鏈線，拱肋的寬度為3.0 m；拱腳至兩立柱中間頂、底板和腹板厚度線性漸變。起拱線標(biāo)高為235.023 m，拱頂橋面中心標(biāo)高為269.077 m。引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁,標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m，梁中心高度為2.0 m，下部結(jié)構(gòu)采用分幅式花瓶橋墩和樁基礎(chǔ)。勁性骨架的拱圈由上、中、下三道主弦桿通過空鋼管連接而成，其中上弦桿和下弦桿采用Φ351 mm×(14～18) mm，中弦桿采用Φ273 mm×(10～12) mm，采用纜索吊裝斜拉扣掛法[1-2]安裝拱圈骨架，主弦桿用C100的混凝土灌注[3-4]，兩拱肋間用“一”字型橫撐進(jìn)行連接。拱肋、橫撐和橫梁外包混凝土采用C50，拱肋采用分環(huán)澆筑[5-14]，最后對稱澆筑橫撐、橫梁外包混凝土，施工時(shí)滿足“對稱、同步”的總體要求。

2 有限元模型

圖3 外包混凝土分段編號示意圖(半跨)

2.1 拱肋外包混凝土施工過程

拱肋外包混凝土采用上下游兩岸拱肋4個(gè)工作面同步對稱澆筑，均采用先“一三”工作面，再“二四”工作面的方式。澆筑順序?yàn)椋荷舷掠?-1→上下游3-1→上下游2-1→上下游4-1→……→上下游1-5→上下游3-5→上下游2-5→上下游4-5依次交替進(jìn)行，完成拱肋外包混凝土上下環(huán)的澆筑。外包混凝土分段編號示意圖(半跨)如圖3所示。先澆筑下環(huán)底板和一部分腹板混凝土，再澆筑上環(huán)另一部分腹板和頂板混凝土，拱肋外包混凝土分環(huán)澆筑時(shí)上下環(huán)澆筑截面示意圖如圖4所示。

圖4 上下環(huán)澆筑截面示意圖 圖5 全橋有限元模型

2.2 有限元模型建立

采用Midas/Civil 2015對全橋進(jìn)行模擬，包括單元的劃分、參數(shù)選取及對各單元之間連接的處理，有限元模型如圖5所示。其中鋼管和內(nèi)灌混凝土采用統(tǒng)一理論[15-21]，把鋼管和混凝土換算成一種新材料，用梁單元模擬；拱肋外包混凝土采用梁單元模擬；吊桿用桁架單元模擬；橋面鋼板用板單元 模擬。對拱肋進(jìn)行外包混凝土施工過程中采用有限元的激活、鈍化功能[22]。拱肋外包混凝土分兩環(huán)進(jìn)行澆筑,下環(huán)混凝土濕重荷載采用節(jié)點(diǎn)荷載加在兩下弦鋼管上，待下環(huán)混凝土形成剛度后澆筑上環(huán)混凝土，上環(huán)混凝土濕重按照均布荷載加在下環(huán)混凝土上。拱圈外包混凝土施工工況見表1。

表1 拱圈外包混凝土施工工況

3 施工監(jiān)控方案及測點(diǎn)布置

在拱肋外包混凝土施工過程中，嚴(yán)格監(jiān)控混凝土拱圈應(yīng)力、拱肋線形變化趨勢。由于應(yīng)力測試的不穩(wěn)定性，容易受施工過程的影響，而拱圈變形的控制相對準(zhǔn)確、直觀和易于實(shí)現(xiàn)，所以拱肋外包混凝土的監(jiān)控以線形控制為主[23-25]，應(yīng)力控制為輔,以此來評價(jià)結(jié)構(gòu)是否安全，對下一步施工具有指導(dǎo)意義[26]。

拱肋外包混凝土應(yīng)變計(jì)采用長沙金瑪JMZX-215智能弦式數(shù)碼埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，在拱肋外包混凝土之前安裝；采用全站儀分別測量勁性骨架拱軸線豎直、水平平面內(nèi)重點(diǎn)截面的高程及橫向偏位。

3.1 拱肋外包混凝土體內(nèi)應(yīng)力測點(diǎn)布置

按照施工監(jiān)控方案的要求，下環(huán)拱肋外包混凝土體內(nèi)應(yīng)力測試斷面分別布置在護(hù)安側(cè)上游和官盛側(cè)下游1-1、2-1、3-1、4-1前端處前1 m范圍內(nèi)和4-5末端(靠近拱頂)處后1 m范圍內(nèi)，每個(gè)截面布置2個(gè)混凝土體內(nèi)應(yīng)變計(jì)，下環(huán)共計(jì)20個(gè)。測點(diǎn)均布置在下緣拱肋兩側(cè)鋼筋上。上環(huán)拱肋外包混凝土體內(nèi)應(yīng)力計(jì)全橋布設(shè)，分別在上下游1-1、2-1、3-1、4-1前端處前1 m范圍內(nèi)和4-5末端(靠近拱頂)處后1 m范圍內(nèi)，每個(gè)截面布置2個(gè)混凝土體內(nèi)應(yīng)變計(jì)，下環(huán)共計(jì)36個(gè)。測點(diǎn)均布置在上緣拱肋兩側(cè)鋼筋上。下環(huán)護(hù)安側(cè)上游拱肋外包混凝土體內(nèi)應(yīng)力測試斷面布置示意圖如圖6所示。

3.2 拱肋外包混凝土線性測點(diǎn)布置

監(jiān)控測量選取勁性骨架上下游第3節(jié)段(靠近L/4)測點(diǎn)、3L/8截面測點(diǎn)和拱頂測點(diǎn)等變形較大的點(diǎn)作為主要監(jiān)測觀測點(diǎn)。在上弦鋼管外側(cè)表面立棱柱作為觀測點(diǎn)。拱圈勁性骨架線形測量測點(diǎn)布置示意圖如圖7所示。

圖6 外包混凝土土體內(nèi)應(yīng)力測試斷面布置示意圖 圖7 拱圈勁性骨架線形測點(diǎn)布置示意圖

4 施工監(jiān)控結(jié)果

4.1 混凝土體內(nèi)應(yīng)力

按照監(jiān)控方案的要求，在相應(yīng)位置埋設(shè)應(yīng)力計(jì)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理，與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。典型斷面1-1、3-1的應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果如表2所示，其中下環(huán)實(shí)測應(yīng)力取各監(jiān)控?cái)嗝嫦戮壐鳒y點(diǎn)的平均值，上環(huán)實(shí)測應(yīng)力取各監(jiān)控?cái)嗝嫔暇壐鳒y點(diǎn)的平均值。各典型斷面的混凝土應(yīng)力如圖8所示。

混凝土體內(nèi)應(yīng)力測試方法是通過結(jié)構(gòu)體彈性模量將應(yīng)變換算成應(yīng)力

σ=Eε，

式中：σ為混凝土體內(nèi)應(yīng)力；E為混凝土彈性模量；ε為荷載、溫度等影響的總應(yīng)變,ε=εd+εn=εm-(T-T0)(F-F0)-εo,其中εd為荷載作用下結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變，εn為溫度等作用下結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力應(yīng)變，εm為測量應(yīng)變(結(jié)構(gòu)體被施力或者其他情況影響時(shí)的應(yīng)變)，εo為初始應(yīng)變(應(yīng)變計(jì)安裝完成、結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定后的應(yīng)變)，T為測量時(shí)的溫度，T0為初始溫度，F(xiàn)為一般情況下鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)，F(xiàn)=10-5/℃,F0為鋼弦的線膨脹系數(shù),F0=12.2×10-6/℃。

混凝土體內(nèi)應(yīng)力的測試，除了與荷載有關(guān)之外，還與溫度、混凝土的收縮、徐變、應(yīng)變計(jì)初讀數(shù)的取值、測量時(shí)的誤差等因素有關(guān)。

表2 典型截面應(yīng)力 MPa

a)澆筑下環(huán)4-5下環(huán)應(yīng)力 b)澆筑上環(huán)4-5下環(huán)應(yīng)力 c)澆筑上環(huán)4-5上環(huán)應(yīng)力圖8 混凝土應(yīng)力圖

從表2中可以看出，絕大部分誤差都在1.00 MPa以內(nèi)，上下環(huán)應(yīng)力總體上隨著拱肋外包混凝土的增多而增大，混凝土體內(nèi)實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力變化趨勢基本一致。中間誤差增大導(dǎo)致中間過程應(yīng)力實(shí)測值與理論值偏離，主要是拱肋外包混凝土各階段澆筑過程中實(shí)際荷載與理論計(jì)算荷載不完全一致，因此外包混凝土過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工；混凝土澆筑時(shí)應(yīng)注意兩岸、上下游施工的相互協(xié)調(diào)，保持同步性；兩岸、上下游施工平臺、鋼筋及模板施工應(yīng)盡量做到同步，荷載、齡期等對稱。

4.2 拱肋線形

按照施工監(jiān)控方案的要求，對拱肋外包混凝土施工各階段拱圈勁性骨架線形的監(jiān)控測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為更好評價(jià)外包混凝土對拱圈變形的影響，拱肋外包混凝土拱圈勁性骨架線性采用相對計(jì)算高程(簡稱理論高程)，起點(diǎn)為外包開始前實(shí)測的上弦鋼管頂面高程，有

Hxl=Hsc+v+ht,

式中：Hxl為當(dāng)前階段相對于外包開始前實(shí)測的上弦鋼管頂面高程的理論計(jì)算高程；Hsc為外包開始前實(shí)測的上弦鋼管頂面高程；v為當(dāng)前階段相對于外包開始前荷載產(chǎn)生的骨架相對變形；ht為當(dāng)前階段相對于外包開始前溫度產(chǎn)生的骨架相對變形。

拱頂?shù)淖冃稳绫?所示，各階段理論高程已經(jīng)過溫度修正。

根據(jù)表3可知，多數(shù)實(shí)測高程與理論高程之差小于50 mm，整個(gè)拱肋外包混凝土施工過程中，實(shí)測高程變化與理論高程變化趨勢基本相符。下環(huán)外包混凝土合龍后，上游拱頂實(shí)測高程與理論高程偏差為0.013 m，下游拱頂實(shí)測高程與理論高程偏差為0.014 m；上環(huán)外包混凝土合龍后，上游拱頂實(shí)測高程與理論高程偏差為-0.001 m，下游拱頂實(shí)測高程與理論高程偏差為-0.022 m。實(shí)測高程與理論高程產(chǎn)生偏差及兩拱肋變形差值不完全一樣，與外包開始前實(shí)測的上弦鋼管頂面高程不一致、溫度取值、兩岸、上下游不完全對稱澆筑混凝土、測量誤差、數(shù)值模擬等因素有關(guān)，導(dǎo)致不完全一樣，其中兩岸、上下游不完全對稱澆筑混凝土是最要的影響因素。

表3 拱頂變形 m

拱肋線形測量應(yīng)與拱肋外包混凝土體內(nèi)應(yīng)力的測量同步，便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)線形實(shí)測值與理論值吻合的不好時(shí)，方便及時(shí)找出原因。線形測量時(shí)應(yīng)盡量在日出前進(jìn)行，以減少日照溫差對拱肋線形的影響。線形測量時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確記錄測量時(shí)的實(shí)際工程進(jìn)度、混凝土齡期、荷載分布情況、測量時(shí)溫度、時(shí)間等參數(shù)，以便分析比較時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

由表2可以看出，在一定的范圍內(nèi)，不對稱加載荷載對混凝土應(yīng)力的影響并不明顯。由表3可以看出，在下環(huán)混凝土合龍之前，理論高程和實(shí)測高程的差值相對較大，這是由于鋼管混凝土在外包混凝土還未合龍之前，外包混凝土還未參與整體受力，骨架剛度比較小，對荷載不對稱作用比較敏感，在這個(gè)階段可以通過纜風(fēng)索、重力式加載水箱等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。但在澆筑上環(huán)混凝土?xí)r，由于下環(huán)混凝土已經(jīng)形成剛度，全橋結(jié)構(gòu)剛度大，采用纜風(fēng)索、加載水箱等方式調(diào)節(jié)效果不明顯，可以采用調(diào)整上環(huán)混凝土澆筑順序來調(diào)節(jié)，但要注意拱腳拉應(yīng)力是否超標(biāo)。由于本橋跨度比較大，澆筑下環(huán)混凝土?xí)r理論高程和實(shí)測高程的差值在允許范圍內(nèi)，采用調(diào)整上環(huán)外包混凝土合龍段的澆筑順序，由以前的“1324”變?yōu)椤?234”，并且保證澆筑上環(huán)混凝土?xí)r對稱澆筑，避免差值進(jìn)一步擴(kuò)大即可。另外本橋設(shè)置有足夠的預(yù)拱度，對確保全橋順利合龍?zhí)峁┍Ｕ稀?/p>

5 結(jié)論

1)在拱肋外包混凝土施工監(jiān)控過程中，合理布置監(jiān)控測點(diǎn)，嚴(yán)格監(jiān)控混凝土拱圈應(yīng)力以及拱肋線形變化趨勢。拱肋線形測量應(yīng)與拱肋外包混凝土體內(nèi)應(yīng)力的測量同步，便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。

2)外包混凝土過程中，兩岸、上下游不對稱澆筑混凝土對混凝土體內(nèi)應(yīng)力和拱肋線形均有影響，施工時(shí)應(yīng)盡量做到對稱、同步、均衡施工。

3)采用分環(huán)澆筑混凝土?xí)r，在下環(huán)混凝土合龍之前，外包混凝土還未參與整體受力，骨架剛度比較小，對荷載不對稱作用比較敏感，在這個(gè)階段可以通過纜風(fēng)索、重力式加載水箱等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。但在澆筑上環(huán)混凝土?xí)r，由于下環(huán)混凝土已經(jīng)形成剛度，全橋結(jié)構(gòu)剛度大，采用纜風(fēng)索、加載水箱等方式調(diào)節(jié)效果不明顯，可以采用調(diào)整上環(huán)混凝土澆筑順序來調(diào)節(jié)。對后續(xù)同類橋梁的施工提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。