廣大鐵路80 m跨度系桿拱橋線形控制技術(shù)

席紅星

（中鐵十七局集團有限公司，太原 030006）

剛性系桿拱橋相當(dāng)于在簡支梁上增設(shè)加強拱，梁和拱在端部剛性連接，其間布置吊桿，屬于外部靜定、內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)[1-2]?，F(xiàn)澆剛性系桿拱橋通常采用滿堂支架現(xiàn)澆、先梁后拱施工方法[3]。系桿拱橋的主拱圈和系梁支架搭設(shè)、預(yù)拱度設(shè)置，以及支架拆除順序、梁拱受力體系轉(zhuǎn)換等直接影響梁拱撓度。同時，施工過程中的各種因素會導(dǎo)致橋梁最終成橋線形及內(nèi)力與設(shè)計要求出現(xiàn)偏差。因此，在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋施工過程中，線形控制是極其重要的內(nèi)容[4]。本文以廣大鐵路80 m跨度系桿拱橋施工為例，采用MIDAS/Civil軟件對該橋進行了全施工節(jié)段仿真分析，得到各施工階段理論變形值，通過設(shè)置合理的預(yù)拱度對全橋施工過程中的線形進行控制，保證了成橋線形滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

云南廣大鐵路跨城市主干道關(guān)鳳大道大橋，長262.26 m，橋跨結(jié)構(gòu)為（32+80+4×32）m，主跨采用80 m系桿拱跨越關(guān)鳳大道，理論矢高16 m。系梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁端高3.3 m，跨中高2.8 m。跨中梁寬11.6 m，梁端加寬至12.5 m。建成后橋下凈空5.77 m。拱肋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，箱形截面，尺寸為2.3 m（高）×1.2 m（寬）。兩肋之間設(shè)3根鋼筋混凝土橫撐與拱肋連接，箱形截面，尺寸為1.9 m（高）×0.8 m（寬），與拱肋交接處采用折線過渡。全橋共設(shè)11對吊桿，間距為6.0 m，采用OVM.GJ15‐31鋼絞線整束擠壓拉索體系吊桿（帶測力傳感器），外套采用HDPE護套。系桿拱橋位于-1.2%縱坡上。

2 系桿拱橋線形控制

2.1 施工工藝及流程

系桿拱橋采用先梁后拱原位現(xiàn)澆施工。主要施工工藝及流程包括：①系桿拱兩端橋墩施工完畢后搭設(shè)系梁支架，采用鋼管支柱結(jié)合工字鋼支架，現(xiàn)澆混凝土前對支架進行預(yù)壓，預(yù)壓荷載不小于系桿拱自重及梁上支架重量的120%，以消除非彈性變形。澆筑系梁底板、腹板、頂板及拱肋拱腳部分混凝土。②在梁頂采用碗扣式多功能鋼管滿膛支架，澆筑拱肋混凝土前對支架進行預(yù)壓，預(yù)壓荷載不小于拱肋自重的120%，以消除非彈性變形。澆筑拱肋及橫撐混凝土。拱頂部設(shè)置1 m合龍段，待其他部位混凝土強度達到90%且齡期不少于15 d時，再采用微膨脹混凝土澆筑合龍段。③拆除梁上拱肋支架，按順序依次張拉吊桿。④吊桿張拉完成后拆除系梁支架，進行二期鋪裝。

2.2 線形控制的方法及原理

監(jiān)控橋梁線形時，首先計算施工預(yù)拱度和設(shè)計預(yù)拱度，然后根據(jù)計算結(jié)果作出設(shè)計線形、成橋線形、施工期預(yù)拱度線形。施工過程中對標高、內(nèi)力進行監(jiān)控，并與模擬計算值對比。對橋梁結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進行識別，找出產(chǎn)生偏差的因素，從而對參數(shù)進行修正。橋梁理論線形見圖1。圖中：1為拱肋設(shè)計線形，2為拱肋成橋線形，3為拱肋施工期線形；a為系梁設(shè)計線形，b為系梁成橋線形，c為系梁施工期線形。

圖1 橋梁理論線形

2.3 預(yù)拱度計算

采用MIDAS/Civil軟件模擬實際施工階段，對混凝土自重、混凝土收縮徐變，預(yù)應(yīng)力張拉荷載作用下拱肋、系梁撓度進行計算。

1）施工預(yù)拱度。該值為橋梁二期鋪裝完成后結(jié)構(gòu)的累積變形值，方向向上?？紤]短期彈性撓度和已經(jīng)發(fā)生的混凝土收縮徐變，可以得到梁體各施工階段拱肋、系梁施工預(yù)拱度計算表達式，即

式中：f施為施工預(yù)拱度；∑f1i為混凝土自重作用對系梁、拱肋產(chǎn)生的撓度；∑f2i為預(yù)應(yīng)力作用對系梁、拱肋產(chǎn)生的撓度；∑f3i為吊桿力對系梁、拱肋產(chǎn)生的撓度；∑f4i為施工過程中收縮徐變對系梁、拱肋產(chǎn)生的撓度，本橋按合龍后5年收縮徐變考慮；∑f5i為施工階段臨時荷載對系梁、拱肋產(chǎn)生的撓度；∑f6i為體系轉(zhuǎn)換后二期荷載作用對系梁、拱肋產(chǎn)生的撓度。

2）設(shè)計預(yù)拱度。主要考慮列車荷載和后期的收縮徐變作用（收縮徐變效應(yīng)考慮5年），其表達式為

式中：f設(shè)為設(shè)計預(yù)拱度；h1i為收縮徐變值；h2i為活載作用下主梁撓度。

根據(jù)有限元模型劃分拱肋、系梁線形控制節(jié)點位置，見圖2。

圖2 拱肋、系梁控制節(jié)點位置（單位：dm）

設(shè)計預(yù)拱度是橋梁在正常運營過程中受力安全的基本保證，施工預(yù)拱度是成橋線形控制的關(guān)鍵。為了抵消橋梁在施工及運營過程中產(chǎn)生的下?lián)希枰O(shè)置設(shè)計預(yù)拱度和施工預(yù)拱度。根據(jù)拱肋、系梁控制節(jié)點位置，通過有限元仿真模擬，計算得到拱肋、系梁施工預(yù)拱度和設(shè)計預(yù)拱度，見圖3。可知：設(shè)計預(yù)拱度大于5年收縮徐變值和1/2列車靜活載產(chǎn)生的變形值；施工預(yù)拱度為各控制點成橋累積撓度與設(shè)計預(yù)拱度之和，最大位置發(fā)生在拱肋與系梁的跨中，其余控制節(jié)點基本按線性變化控制。

圖3 拱肋和系梁撓度及預(yù)拱度

2.4 立模標高計算與控制

在系桿拱橋原位支架混凝土澆筑過程中，立模標高合理與否決定了成橋線形是否平順、是否符合設(shè)計要求?？刂泣c立模標高H立計算公式為

式中：h設(shè)為控制點設(shè)計標高；h支為支架預(yù)壓變形、地基變形值。

根據(jù)式（3）和圖2計算控制點標高。由于該橋位于線路-1.2%縱坡上，須考慮線路縱坡對立模標高的影響?？刂泣c之間的立模標高通過線性內(nèi)插方式得到。

施工過程中，通過支架頂木楔調(diào)整控制系梁的底模標高；通過箱梁側(cè)模高度控制頂面標高；通過在鋼管架頂口安裝50 cm長的可調(diào)式頂托調(diào)整拱肋的底模標高；通過拱肋側(cè)模高度控制頂面標高，較好地保證了成橋線形。

2.5 拱肋及橋面撓度監(jiān)控

2.5.1 測點布置

拱肋及橋面撓度測量數(shù)據(jù)是橋梁線形控制的最主要依據(jù)。為了測量每個施工階段拱圈及橋面的撓度變化情況，在拱肋、系梁上起拱點及L/8，L/4，3L/8，L/2（L為跨度）位置對稱設(shè)置線形監(jiān)測控制斷面，在每個監(jiān)控斷面上設(shè)置監(jiān)控測量點（圖4）。

拱肋監(jiān)控測量點布設(shè)：在每榀拱肋的拱軸線上粘貼全站儀反光片，記為測點①和測點②。系梁監(jiān)控測量樁布設(shè)：在每個控制斷面的兩邊及中間預(yù)埋?20長30 cm的短鋼筋作為高程監(jiān)控測量樁，短鋼筋測量樁與相應(yīng)位置的主筋點焊接牢固，上端高出混凝土面10 cm，用紅油漆標記，記為測點1—測點3。

圖4 線形測點布置

2.5.2 測量結(jié)果分析

1）工況1（拱肋支架拆除）。系桿拱橋拱肋與梁剛性聯(lián)接，其支架拆除順序?qū)Y(jié)構(gòu)安全、豎向變形影響較大。拱肋常用支架拆除方案有2種：①從拱頂往拱腳逐步對稱拆除支架；②從拱腳往拱頂逐步對稱拆除支架。根據(jù)有限元模擬結(jié)果可知，方案①中拱頂最大撓度及拱腳最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均比方案②小，故采用方案①順序拆除支架。經(jīng)現(xiàn)場實測并對監(jiān)控數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，拆除拱肋支架后拱頂最大撓度為5.8 mm。

2）工況2（第1次張拉吊桿）。吊桿分2次張拉，拱肋滿膛支架拆除后，按設(shè)計張拉順序?qū)Φ鯒U進行第1次張拉，張拉力控制值為700 kN。此時系梁支架沒有拆除，系梁標高沒有抬升，拱肋變形較小，對系梁及拱肋線形影響不大。

3）工況3（系梁支架拆除）。系梁采用鋼管結(jié)合工字鋼支架完成現(xiàn)澆施工，其豎向撓度在支架拆除前后變化較大。支架從跨中往兩邊對稱拆除方案最優(yōu)。實測系梁支架拆除后豎向最大撓度發(fā)生在跨中，為17.5 mm；拱肋豎向最大撓度發(fā)生在拱頂，為13.8 mm。

4）工況4（第2次張拉吊桿）。根據(jù)設(shè)計張拉順序和索力第2次張拉吊桿，測量拱肋、系梁控制截面前后標高，拱肋跨中最大撓度9.91 mm，系梁跨中最大撓度15.24 mm。

5）工況5（二期鋪裝完成）。拱肋最大撓度發(fā)生在二期荷載鋪裝完成的成橋階段。成橋后拱肋撓度見表1?？芍篖/8，L/4，L/2拱肋處撓度分別為-6.45，-13.45，-18.36 mm；實測值與設(shè)計值的最大差值為 4.016 mm，則 4.016/80 000=1/4 357，滿足TB 10203—2002《鐵路橋涵施工規(guī)范》[5]中拱軸偏離不得大于計算跨度的1/1000且不大于30 mm的要求。

二期荷載鋪裝完成后，系梁撓度見表2?，F(xiàn)澆系梁時梁底標高已考慮了設(shè)計預(yù)拱度及施工預(yù)拱度參數(shù)。二期恒載后，通過吊桿索力調(diào)整及作用，撓度實測值與理論值的最大差值為4.889 mm，滿足TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[6]中系梁實測數(shù)據(jù)與設(shè)計誤差小于±10 mm限值要求。

表1 二期荷載下拱肋撓度

表2 二期荷載下系梁撓度

綜上，通過有效控制拱肋及系梁各控制點的撓度，在5種工況下成橋線形均符合設(shè)計要求。

3 結(jié)語

采用倒推分析方法對主拱圈和系梁支架搭設(shè)、預(yù)拱度設(shè)置、立模標高控制、支架拆除順序比選、吊桿張拉、梁拱受力體系轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵工序進行有限元模擬，得出每步數(shù)據(jù)控制目標，并經(jīng)過施工過程有效控制，最終拱肋、系梁最大撓度小于設(shè)計要求，確保了成橋線形，對同類型橋梁工程線形控制有一定借鑒作用。