鋼拱橋拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)研究

葉舟

摘要：此文針對某大橋工程主拱施工監(jiān)控方案，依靠有限元分析程序與現(xiàn)代化測量技術(shù)的結(jié)合措施，針對鋼拱橋拼裝施工關(guān)鍵技術(shù)展開進(jìn)一步分析，期望能夠提供一定的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;施工控制;有限元方法

一、橋梁總體布置

XX大橋長度為150m，所采取的是雙飛燕形中承型鋼管混凝土提籃拱橋構(gòu)造。主拱內(nèi)傾10°，邊拱內(nèi)傾6°。主跨100m。大橋主跨拱肋是鋼管混凝土，運(yùn)用的是無鉸拱，拱軸線是二次拋物線，其中矢高為7.5m，矢跨比為1/4.0。邊跨拱肋為半波二次拋物線，矢高7.5m。順著兩條邊拱肋進(jìn)行縱橋向預(yù)應(yīng)力系桿安裝，系桿要錨固到邊拱端部橫梁之上，確保兩個(gè)主墩水平推力的均衡。

二、拱肋纜索吊裝索力計(jì)算

（一）計(jì)算方法分析

拱肋吊裝索力的計(jì)算預(yù)測手段包含前進(jìn)算法、倒退算法、力矩平衡法以及零彎矩法。此橋梁工程拱肋運(yùn)用的是空間桁式斷面，在安裝過程中拱肋節(jié)段間運(yùn)用固結(jié)的形式，安裝與焊接同時(shí)進(jìn)行，若是采取力矩平衡法，那么計(jì)算結(jié)果和實(shí)際間存在很大誤差，不能適應(yīng)施工的控制精度標(biāo)準(zhǔn)。采取零彎矩法對扣索索力進(jìn)行計(jì)算可能導(dǎo)致扣索索力是負(fù)值，出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。倒退算法不能照顧到和施工相關(guān)得到因素，比如：結(jié)構(gòu)幾何非線性以及混凝土收縮徐變。本文采用考慮了因拱肋節(jié)段間轉(zhuǎn)角連續(xù)而引起的剛體位移等影響因素的修正前進(jìn)迭代算法[3]，即在建立施工階段有限元模型時(shí)，把拱肋節(jié)段單元一次性建立完畢，并設(shè)為無重量單元，依據(jù)設(shè)計(jì)的工程施工順序，當(dāng)安裝完一個(gè)節(jié)段時(shí)便要把相應(yīng)節(jié)段質(zhì)量用等效荷載方式添加至模型之中，進(jìn)而分析吊裝過程中上一節(jié)段接頭位置轉(zhuǎn)角造成現(xiàn)節(jié)段位移，進(jìn)而完成扣索索力準(zhǔn)確預(yù)測。

（二）計(jì)算程序設(shè)計(jì)

定義在制作臺上無應(yīng)力條件下分析預(yù)拱度后鋼管拱肋線性作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。進(jìn)行吊裝施工控制主要作用在于利用對扣索索力的調(diào)節(jié)使得各個(gè)控制點(diǎn)的標(biāo)高和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)誤差被控制到規(guī)定范圍之內(nèi)。

（三）施工控制結(jié)果

單側(cè)拱肋順橋向要劃分出5個(gè)吊裝節(jié)段，利用以上算法展開迭代優(yōu)化求解，獲得合攏前的扣索索力以及每個(gè)控制處預(yù)抬高值，此文僅給出橋梁拱肋的首節(jié)控制點(diǎn)預(yù)抬高量。

三、拱肋弦管混凝土灌注

（一）澆筑次序

此大橋橋拱肋截面為桁架式，由于肢數(shù)較多，因此弦桿混凝土的澆筑次序是具有多樣性的，弦桿混凝土的澆筑順序會對鋼管混凝土拱橋的截面應(yīng)力儲備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。經(jīng)過計(jì)算證明，如果鋼管混凝土弦桿是混凝土拉應(yīng)力進(jìn)行控制的話，那么應(yīng)當(dāng)選用自上而下的順序澆筑;當(dāng)以鋼管壓應(yīng)力控制時(shí)，則以先下后上為好[7]。

對于以上三種不同工況開展混凝土泵送施工的有限元模型研究，最終結(jié)果是工況I最小一類的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到10.9;工況2的最小一類穩(wěn)定系數(shù)為8.3;工況3的最小一類穩(wěn)定系數(shù)為6.8。工況1混凝土均為壓應(yīng)力，鋼管的最大壓應(yīng)力153.2MPa;工況2混凝土出現(xiàn)1.58MPa拉應(yīng)力，鋼管的最大應(yīng)力198.6MPa;工況3混凝土最大拉應(yīng)力為2.67MPa，鋼管的最大應(yīng)力223MPa。工況I拱腳處的最大位移1.25mm;工況2拱腳處的最大位移1.26mm;工況3拱腳處的最大位移1.68mm。由以上的對比分析得出，工況1的澆筑次序最合理。

（二）施工控制結(jié)果

按照工況1的澆筑次序進(jìn)行大橋的施工，沒有出現(xiàn)安全問題。實(shí)測拱腳處下弦鋼管的應(yīng)力為165MPa。并對拱腳水平位移進(jìn)行了現(xiàn)場觀測。

由此了解到，進(jìn)行鋼管混凝土灌注操作時(shí)，拱腳所存在的水平位移是要稍稍低于計(jì)算值的，在控制范圍要求內(nèi)。根據(jù)以上實(shí)際測量數(shù)據(jù)，對有限元模型展開深入改進(jìn)，確保后續(xù)施工得到精準(zhǔn)化控制。

四、系桿分批張拉

（一）系桿張拉方案

為避免施工過程中支座水平位移高于支座規(guī)定范圍導(dǎo)致支座無效化，鋼管混凝土拱橋應(yīng)當(dāng)在鋼管混凝土的灌注，橫梁吊裝，橋面板安裝與橋面鋪設(shè)等施工工作中對系桿進(jìn)行分批次張拉，且確保施工中的系桿拉力和拱橋水平分力保持平衡。大部分系桿拱橋張拉的首批系桿都在橫梁吊裝前，一些是在拱肋混凝土灌裝前[1]。此工程大橋中的三根橫梁吊裝結(jié)束后拱腳累積位移不高于3mm，所以，當(dāng)三根橫梁吊完之后要進(jìn)行首次系桿張拉操作。在此操作前所吊裝三根橫梁是為系桿安裝設(shè)置三個(gè)有效支撐點(diǎn)，能夠降低系桿基于自重的下?lián)犀F(xiàn)象，便于系桿安裝及張拉施工。然后系桿要分成三批進(jìn)行張拉，具體方案為：中橫梁與兩根1/4橫梁安裝完成后進(jìn)行第一批系桿的張拉，所有橫梁與部分的橋面板安裝完進(jìn)行第二批系桿張拉，所有橋面板安裝完成后進(jìn)行第三批系桿張拉。

（二）系桿索力計(jì)算

基于活荷載條件下，拱橋的主拱水平推力主要是橋墩與系桿一起承負(fù)的。因?yàn)橄禇U抗拉剛度要大大低于橋墩抗推剛度，因此都是橋墩來承受水平力，而這對于橋墩受力來說是非常不利的，所以在設(shè)計(jì)過程中要分析系桿索力除去承受恒載造成的水平推力，還包含一半活載造成的水平推力。ANSYS程序建立分段施工有限元模型，并且把鋼管內(nèi)混凝十的收縮徐變效應(yīng)和溫度作用的影響考慮在內(nèi)，依靠迭代算法完成每次系桿張拉前后的拱腳位置位移及水平推力計(jì)算。

分三批張拉系桿后，各工況拱腳累加水平位移均小于3mm，而且基于1/2活載下的拱腳水平推力是0，由此了解分三批進(jìn)行系桿張拉是非常科學(xué)的。

五、總結(jié)

此文針對某一大橋工程施工實(shí)例中關(guān)鍵技術(shù)分析，得到下列結(jié)論。

（1）此文所采取修正前進(jìn)算法進(jìn)行扣索索力計(jì)算是合理的，成橋拱肋線形的誤差能夠保證處于項(xiàng)目精度的要求范圍內(nèi)。

（2h桁架拱肋混凝土澆筑順序會對拱橋截面應(yīng)力的儲備產(chǎn)生較大影響，受到鋼管應(yīng)力控制時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取自下而上的順序澆筑。

（3）建立起張拉系桿方案，方案目標(biāo)在于單工況拱腳的累計(jì)位移符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系桿力除去確保恒載水平推力平衡外還應(yīng)當(dāng)照顧到部分活載作用。

（4）利用計(jì)算得知對大橋橫梁作一定的預(yù)抬高操作，在成橋之后橫梁標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)值，橋面的線性流暢，橋梁可以正常通車行駛。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧安邦.橋梁工程（下）[M].北京：人民交通出版社，2018.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2018.

[3]孫航，陳少峰，劉鐵林，等.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制預(yù)測算法[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，5（3）：371-374.