三拱肋鋼管混凝土拱橋施工控制技術(shù)研究

王 劍 徐 清 忽榮海 簡春風(fēng) 龔章龍 任 勇

中國葛洲壩集團(tuán)建設(shè)工程有限公司 云南 昆明 650200

我國鋼管拱橋起步晚于歐美國家，直到1991年我國第一座鋼管混凝土拱橋——四川旺蒼大橋才建成。但鋼管混凝土拱橋在國外發(fā)展較慢、應(yīng)用較少，在我國則快速發(fā)展，經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國鋼管混凝土拱橋建造已達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前我國已建成了世界上跨度最大的鋼管混凝土橋——合江長江一橋，主橋長838 m，橋面寬28 m，主跨518 m的鋼管混凝土中承式拱橋，超過了原世界單拱跨度最大（跨徑460 m）的巫山長江大橋。

鋼管混凝土拱橋是由拱肋、吊索、主梁和系桿組成的多次超靜定結(jié)構(gòu)體系[1-3]。受結(jié)構(gòu)特點與施工工藝的影響，拱肋應(yīng)力和線形調(diào)整非常困難。不同的施工方法、材料性能直接影響成橋后的線形和受力，因此，施工過程中必須通過計算—識別—調(diào)整，確保成橋后的結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計要求。而針對三拱肋橋梁，吊索張拉更加復(fù)雜，橋梁線形及吊索索力調(diào)整更為困難。

本文以山東新萬福三拱肋鋼管混凝土拱橋為背景，根據(jù)三拱肋鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)特點，開展了仿真計算、拱肋變形及應(yīng)力控制、主梁變形控制、吊桿索力調(diào)整等相關(guān)方面的研究，并針對實際工程開展了施工控制工作。

1 工程概況

橋梁跨徑布置為11×30 m＋103.6 m＋12×30 m，主橋橋型為下承式鋼管混凝土簡支系桿拱橋（圖1）。主跨103.6 m，橋面總寬度30.7 m，邊縱梁寬 1.4 m，中縱梁寬1.6 m。全橋共設(shè)3根鋼管混凝土拱肋，拱肋截面為啞鈴形，中肋高260 cm，邊肋高240 cm；鋼管混凝土采用泵送混凝土頂升灌注。3根拱肋橫向間距均為14.65 m，拱肋間設(shè)置7道啞鈴形鋼管風(fēng)撐。

圖1 大橋立面

2 施工過程有限元模擬

2.1 有限元模型

建立有限元模型前，首先對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究，根據(jù)構(gòu)件類型確定合理的模擬單元類型，合理劃分單元大小，根據(jù)實際情況確定荷載大小和荷載施加位置。同時要準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)的約束形式，施加合理的邊界條件。采用通用有限元分析軟件Midas Civil建立有限元模型（圖2），進(jìn)行大橋仿真計算，獲取施工控制所需的各種參數(shù)。

圖2 主橋有限元模型

1）單元選?。嚎v/橫梁、鋼混組合拱肋均采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬；T梁橋面板按荷載進(jìn)行考慮。

2）邊界條件：墩臺支座用鉸接邊界模擬；拱肋與風(fēng)撐之間通過剛性連接模擬；主梁支架及拱肋支架采用鉸接邊界模擬。

3）荷載：施工階段分析時考慮結(jié)構(gòu)自重、主梁縱向預(yù)應(yīng)力、吊桿索力的作用效應(yīng)；橋梁預(yù)拱度的設(shè)置考慮汽車荷載作用效應(yīng)，汽車荷載作用參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》按公路Ⅰ級取值；橋面鋪裝、防護(hù)欄桿等二期荷載以線荷載形式施加在梁單元上，施工過程中其他荷載以節(jié)點荷載形式施加在相應(yīng)位置。

2.2 工況劃分

依據(jù)施工方案，施工過程計算分為10個階段（表1）。

2.3 計算結(jié)果

1）變形。通過計算得出，全橋在施工過程中最大的豎向變形為－52 mm，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的主梁最大豎向變形為－17 mm。

2）應(yīng)力。施工過程中，縱梁最大壓應(yīng)力為－8.4 MPa；橫梁最大拉應(yīng)力為0.8 MPa，最大壓應(yīng)力為－8.2 MPa。拱肋鋼管最大拉應(yīng)力為20.1 MPa，最大壓應(yīng)力為－116.6 MPa。張拉第1組吊桿時，在靠近張拉吊桿位置的拱肋下弦混凝土?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.1 MPa；最終成橋階段，拱肋混凝土以受壓為主，最大壓應(yīng)力為－11.2 MPa。

表1 施工階段及具體施工內(nèi)容

3）索力。成橋后，邊吊桿的最大索力為1 044 kN，中吊桿的最大索力為1 760 kN。

4）預(yù)拱度。預(yù)拱度設(shè)置時應(yīng)考慮支架彈性變形、非彈性變形、施工階段結(jié)構(gòu)變形、混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變及成橋后的1/2活載變形。經(jīng)驗算，縱梁預(yù)拱度最大為54 mm，拱肋預(yù)拱度最大為57 mm。

3 施工控制原則及方法

3.1 施工控制目的

橋梁施工是一個動態(tài)過程，結(jié)構(gòu)體系具有時變特性，施工工藝、材料、外部環(huán)境對成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形具有較大影響。開展施工控制是消除施工對橋梁結(jié)構(gòu)影響的有效手段。橋梁施工控制是對施工過程中結(jié)構(gòu)的受力、變形、穩(wěn)定性等進(jìn)行預(yù)測、對比和糾偏，保證施工過程安全，使成橋后橋梁內(nèi)力和線形等處于可控狀態(tài)，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3.2 施工控制原則

三拱肋拱橋為空間受力，橫梁、系桿、拱肋受力狀態(tài)與普通兩拱肋拱橋不同，遠(yuǎn)比兩拱肋復(fù)雜，其中最為顯著的是橫梁由兩支點變?yōu)槿c，從而帶來彎矩效應(yīng)；中系桿預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)遠(yuǎn)大于兩側(cè)邊系桿；拱肋體系剛度直接影響橫梁和系桿的受力狀態(tài)。施工過程中需要關(guān)注拱肋穩(wěn)定性、拱肋應(yīng)力狀態(tài)、橫梁應(yīng)力狀態(tài)、系桿線形及應(yīng)力狀態(tài)，穩(wěn)定性關(guān)系到施工過程的安全，應(yīng)力及線形涉及成橋的目標(biāo)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)耐久性。在施工控制過程中，應(yīng)首先關(guān)注結(jié)構(gòu)的安全，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠的前提下開展橋梁內(nèi)力和變形控制。鑒于當(dāng)前結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)的日益成熟，內(nèi)力監(jiān)測精準(zhǔn)度較高，體系日益完善，因此針對支架法施工的三拱肋混凝土拱橋，應(yīng)采取內(nèi)力和變形雙控措施，堅持以拱肋、橫梁、吊桿內(nèi)力控制為主的原則開展控制工作。

3.3 施工控制方法

鑒于三拱肋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，選擇具有反饋功能、適合大型復(fù)雜工程、控制精度較高的閉環(huán)控制方法。首先，根據(jù)總體控制目標(biāo)，通過計算分析確定各階段控制目標(biāo)和理想狀態(tài)。接著，在施工過程中對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，將結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)與理想狀態(tài)進(jìn)行對比，得到實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的差異，即為控制系統(tǒng)的參數(shù)反饋。最后，根據(jù)反饋修改施工流程和計算模型，得到修正后的施工控制目標(biāo)和理想狀態(tài)。

4 施工控制內(nèi)容及效果

4.1 鋼管混凝土灌注順序分析

鋼管混凝土采用逐根灌注方式，每根鋼管拱肋灌注時間差為1 d。為減小后續(xù)混凝土灌注對前面已灌注混凝土的影響，防止混凝土開裂，需針對灌注順序進(jìn)行研究，找到混凝土灌注的相互影響規(guī)律，確定最優(yōu)灌注順序。

1）灌注順序方案1。方案1為順序灌注方案，即下部鋼管從左向右灌注，然后再從左向右灌注上部鋼管混凝土（圖3）。該種灌注方式存在一定的偏載效應(yīng)。

2）灌注順序方案2。方案2為對稱灌注方案，即下部鋼管先灌注中拱肋，然后再分別灌注左側(cè)拱肋和右側(cè)拱肋，上部鋼管灌注順序與下部順序相同（圖4）。該種灌注方式對稱性好。

圖3 方案1混凝土灌注順序

圖4 方案2混凝土灌注順序

4.2 拱肋應(yīng)力控制

根據(jù)仿真計算，張拉第1組吊桿時，在靠近張拉吊桿位置的拱肋下弦混凝土?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.10 MPa，稍大于C50混凝土的設(shè)計抗拉強(qiáng)度1.83 MPa。通過適當(dāng)調(diào)整吊桿張拉順序和吊桿張拉力，降低首次張拉鋼管內(nèi)的混凝土拉應(yīng)力，避免吊桿張拉過程中拱肋混凝土出現(xiàn)開裂。

根據(jù)確定的張拉順序及張拉力施工完成后，鋼管拱肋頂部及底部應(yīng)力與預(yù)期擬合較好（圖5、圖6），施工過程中未出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力工況，拱肋受力狀態(tài)滿足要求。

4.3 吊桿索力控制

吊桿施工過程中采用對稱分批張拉，隨著吊桿的張拉，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生體系轉(zhuǎn)換及內(nèi)力重分布。吊桿張拉相互影響明顯，即后張拉吊桿對已張拉吊桿索力產(chǎn)生影響，尤其對附近吊桿索力影響較大。吊桿索力施工控制的目的是通過確定每根吊索合理的張拉值，使張拉完成后各根吊桿索力滿足設(shè)計要求。將實測吊桿力代入有限元模型，采用倒拆與正裝相結(jié)合的方法確定每根吊桿索力張拉值并指導(dǎo)張拉施工。根據(jù)確定的吊桿索力進(jìn)行張拉施工，成橋后獲得了與設(shè)計值較為接近的索力，大部分索力偏差控制在5%以內(nèi)，極少數(shù)幾根吊桿偏差為10%，后期通過索力調(diào)整進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)控，使吊桿索力滿足了規(guī)范和設(shè)計要求。

圖5 拱肋頂部應(yīng)力狀態(tài)

圖6 拱肋底部應(yīng)力狀態(tài)

5 結(jié)語

開展三拱肋鋼管混凝土拱橋施工控制時，應(yīng)首先明確橋梁的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點，合理地建立有限元仿真模型，進(jìn)行精確分析，從而獲得準(zhǔn)確的控制目標(biāo)。

1）經(jīng)實踐檢驗，通過施工控制措施有效控制了鋼管拱肋的拉應(yīng)力，成橋后鋼管拱肋線形及內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計相符，吊桿索力滿足規(guī)范及設(shè)計的偏差要求，主梁線形平順，施工控制作用顯著。

2）吊桿張拉力對橫梁應(yīng)力分布影響較大，施工中應(yīng)注意橫梁應(yīng)力狀態(tài)的控制，防止橫梁出現(xiàn)過大拉應(yīng)力，繼而出現(xiàn)裂縫，影響耐久性。

3）拱腳位置吊桿長度較短，采用振動法測量誤差較大，施工過程中應(yīng)采用合理可靠的監(jiān)測手段獲取吊桿索力。如無可靠的監(jiān)測儀器設(shè)備，可采用仿真計算與千斤頂張拉驗證相結(jié)合的方法確定短吊桿索力。