鋼管混凝土尼爾森體系拱橋施工監(jiān)控方法

施一春 （寧波富邦基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，浙江 寧波 315600）

0 前言

鋼管混凝土尼爾森體系拱橋與其他鋼管混凝土拱橋相比，具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]：結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)良；橋梁剛度大，有良好的結(jié)構(gòu)稱(chēng)定性；動(dòng)力性能好，能提供很好的行車(chē)安全及舒適度指標(biāo)；結(jié)構(gòu)超載能力強(qiáng)；外部靜定，建筑高度低，橋式美觀。由于其內(nèi)部為多次超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜多變，特別是施工張拉吊桿過(guò)程中，拱梁的內(nèi)力和變形的不確定性將給施工帶來(lái)多重困難，施工過(guò)程監(jiān)控不可或缺。本文以某城市的鋼管混凝土尼爾森體系拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，?jiǎn)要介紹該類(lèi)拱橋桿系有限元模型建立和施工監(jiān)控方法。

1 工程簡(jiǎn)介

該鋼管混凝土尼爾森體系拱橋全長(zhǎng)132m，計(jì)算跨徑128m，拱肋采用懸鏈線(xiàn)型，計(jì)算跨徑112m，矢跨比1/5，拱肋采用豎向啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.4 m，等截面布置。拱肋在橫橋向內(nèi)傾9。。兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐，拱頂處設(shè)X型撐，拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K撐，鋼管內(nèi)部不填混凝土。主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，寬17.8 m，梁高2.5 m；底板在3.0 m范圍內(nèi)上抬0.50m以減小風(fēng)阻力。尼爾森體系的吊桿布置形式，每?jī)筛鯒U只交叉一次。箱式主梁采用門(mén)式支架現(xiàn)澆施工，鋼管拱肋采用工廠(chǎng)分段預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)少支架大節(jié)段吊裝施工。全橋上部結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。

圖1 上部結(jié)構(gòu)側(cè)視與俯視圖（單位：cm）

2 施工監(jiān)控有限元模型

2.1 有限元模型的建立

計(jì)算采用軟件midas/civil2016進(jìn)行建模，仿真模擬施工過(guò)程，獲取階段中控制截面的應(yīng)力和變形。全橋有限元模型共劃分為798個(gè)節(jié)點(diǎn)，56個(gè)桁架單元，372個(gè)梁?jiǎn)卧Ｖ髁汉凸袄邫M撐采用普通梁?jiǎn)卧M，啞鈴型鋼管采用聯(lián)合施工截面梁?jiǎn)卧M，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，所有支架均采用只受壓彈簧模擬，豎向剛度定義為107N/mm。根據(jù)施工組織，施工過(guò)程共劃分24個(gè)階段。其中吊桿的張拉順序?yàn)椋?（2’）—4（4’）—6（6’）……12（12’）—3（3’）—5（5’）……13（13’）—14（14’）—1（1’）。吊桿的編號(hào)見(jiàn)圖2。

圖2 吊桿編號(hào)示意圖

圖3 有限元模型

2.2 建模的難點(diǎn)處理

施工階段劃分表表1

采用桿系有限元建模計(jì)算時(shí)，文獻(xiàn)[2]指出計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)偏離的原因。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，吊桿與拱肋相交點(diǎn)在拱肋上緣，與主梁相交也偏離主梁軸線(xiàn)，因此主梁和拱肋采用梁?jiǎn)卧r(shí)，吊桿上下端錨固點(diǎn)的空間位置按實(shí)際建模，吊桿錨固點(diǎn)與拱肋和主梁軸線(xiàn)點(diǎn)采用剛臂處理，以保證變形的協(xié)同。啞鈴型鋼管混凝土拱肋采用聯(lián)合施工截面[3]，該種處理方式可以計(jì)算獲取整個(gè)施工過(guò)程中（架設(shè)空鋼管—灌注上下弦管混凝土和腹腔內(nèi)混凝土?xí)r）各節(jié)點(diǎn)截面的鋼管和腔室混凝土的應(yīng)力和變形。

3 施工監(jiān)控內(nèi)容和方法

鋼管混凝土尼爾森體系拱橋施工監(jiān)控是以結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)空間位置（線(xiàn)形）兩項(xiàng)為控制指標(biāo)，即為“雙控”。通過(guò)精確的建模仿真計(jì)算，施工中按階段監(jiān)測(cè)主梁和拱肋控制截面應(yīng)力、吊桿內(nèi)力以及主梁和拱肋的變形，通過(guò)仿真模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比、分析和控制，在誤差允許范圍內(nèi)確保結(jié)構(gòu)變形受力與設(shè)計(jì)相吻合。

3.1 變形監(jiān)控

變形測(cè)試的主要目的是階段性獲得已形成結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何形態(tài)，包括主梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)變位測(cè)試、拱肋線(xiàn)形測(cè)量。拱肋測(cè)點(diǎn)選取拱腳處、拱肋的1/8（7/8）處、1/4（3/4）、3/8（5/8）處截面以及拱肋合龍前兩個(gè)半拱的端部截面布設(shè)，左右榀拱圈的測(cè)點(diǎn)布置在拱肋外側(cè)，共計(jì)20個(gè)測(cè)點(diǎn)，拱肋變形監(jiān)測(cè)利用全站儀測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)反光片的空間坐標(biāo)變化；主梁的變位監(jiān)測(cè)分為落架前和落架后兩個(gè)階段：①落架前，測(cè)點(diǎn)設(shè)置在主梁底部貝雷梁橫橋向兩側(cè)，共計(jì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)全站儀觀測(cè)；②落架后，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在主墩處的主梁上，觀測(cè)截面仍為ZL-1～ZL-8，截面橫橋向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)，儀器采用精密水準(zhǔn)儀。具體的位移觀測(cè)點(diǎn)如圖4。

圖4 位移測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 拱肋和主梁應(yīng)力監(jiān)控

伴隨拱肋腔室混凝土的壓注、吊桿的張拉，橋梁內(nèi)力將不斷的變化。拱肋和主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)的目的是對(duì)主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中受力進(jìn)行測(cè)量和控制，及時(shí)了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化，確保內(nèi)力始終處于安全范圍內(nèi)，成橋后拱肋和主梁的內(nèi)力分布與設(shè)計(jì)狀態(tài)在一定程度上達(dá)到吻合。

拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面選取左右榀拱肋的拱腳、1/4處、1/2處，共計(jì)10個(gè)截面，鋼弦應(yīng)變計(jì)利用基座沿切向焊接在上下弦管的兩側(cè)，每個(gè)截面布置4枚。主梁的應(yīng)力控制截面選取主梁的近根部、1/4處、1/2處等5個(gè)截面，每個(gè)截面布設(shè)5枚混凝土應(yīng)變傳感器，上緣3枚分別布置在三個(gè)箱式頂板中部，下緣2枚布置在內(nèi)腹板底部。

對(duì)于測(cè)得的拱肋和主梁的應(yīng)變，進(jìn)行應(yīng)變分離，排除非應(yīng)力應(yīng)變：溫度的影響利用傳感器自帶的溫度修正公式進(jìn)行修正；混凝土收縮徐變的影響較為復(fù)雜，文獻(xiàn)[3][4][5]對(duì)其作了闡述和公式推薦。

圖5 應(yīng)力測(cè)試斷面和測(cè)試點(diǎn)布置圖

3.3 吊桿內(nèi)力監(jiān)控

吊桿作為尼爾森體系拱橋的主要傳力構(gòu)件，在整個(gè)橋梁體系中起著關(guān)鍵性作用，吊桿受力是否符合設(shè)計(jì)要求關(guān)系到拱橋的耐久性和安全性。傳統(tǒng)的索力測(cè)試法有三種：油壓表直接讀數(shù)、壓力傳感器和頻譜法。本橋采用振動(dòng)頻譜法為主，以張拉時(shí)的油壓千斤頂油表讀數(shù)測(cè)量輔助。

頻譜法通過(guò)安裝在吊桿上的索力測(cè)試儀拾取吊桿自振頻率，由內(nèi)部的放大器將振動(dòng)信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)頻域分析后獲取吊桿的頻譜圖，自動(dòng)識(shí)別出各階振動(dòng)的固有頻率[6]。頻譜法測(cè)定索力時(shí)，對(duì)影響其測(cè)量精度的主要因素：吊桿的剛度、垂度、邊界條件等進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，確定出索力計(jì)算公式，將實(shí)測(cè)頻率代入公式求出索力。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土尼爾森體系拱橋是以主梁平衡拱的水平推力，以斜吊桿為主要傳力結(jié)構(gòu)的無(wú)推力結(jié)構(gòu)體系。有限元建模仿真計(jì)算的精確度取決于計(jì)算模型中對(duì)構(gòu)件截面和邊界條件的處理。合理選擇變形監(jiān)控點(diǎn)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面，全面掌控拱橋施工狀態(tài)是監(jiān)控工作的基本前提。本項(xiàng)目施工控制所采用的計(jì)算模型、監(jiān)測(cè)控制方法是可行的，可為同類(lèi)橋的施工、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)提供參考。