鋼管混凝土拱橋拱肋施工線形控制技術(shù)研究

朱洪駿

【摘 要】作為一種新型的橋梁形式，鋼管混凝土拱橋施工涉及復(fù)雜的工藝技術(shù)，對(duì)工人的施工水平具有較高的要求。在整個(gè)施工過(guò)程中，對(duì)拱肋進(jìn)行線性控制是重點(diǎn)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)不僅直接影響橋梁工程的線性與內(nèi)力情況，還關(guān)乎橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文章以鋼管混凝土拱橋拱肋施工的線性控制技術(shù)為探討主題，針對(duì)此種橋梁類型的拱橋特點(diǎn)，分析拱肋施工的控制流程，從鋼管拱加工與拼接等方面闡述拱肋施工工藝，以及拱肋安裝的線形控制方法。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土拱橋;拱肋施工;線形控制

【中圖分類號(hào)】TU311.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）07-0110-03

0 引言

鋼管拱橋在我國(guó)的發(fā)展起步較晚，一直到20世紀(jì)90年代初，四川的旺蒼大橋建成后成為我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土拱橋在各地橋梁工程的施工建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，大跨度、輕質(zhì)佳、簡(jiǎn)單的工藝技術(shù)與美觀的外觀形態(tài)是其在實(shí)際應(yīng)用中的突出優(yōu)勢(shì)。隨著橋梁工程的不斷發(fā)展，逐漸增加的跨度不僅使鋼管混凝土拱橋的施工難度不斷增大，也出現(xiàn)了更為復(fù)雜的造型結(jié)構(gòu)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)整體作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的有效把控，施工單位必須對(duì)拱橋拱肋施工的線形控制予以重點(diǎn)關(guān)注。

1 鋼管混凝土拱橋特點(diǎn)

鋼管混凝土拱橋?qū)儆谝环N復(fù)合型結(jié)構(gòu)，它是由拱肋、吊索、主梁及系桿組成的多次超靜定結(jié)構(gòu)體系。在實(shí)際施工過(guò)程中，需要向鋼管內(nèi)部壓入混凝土材料，進(jìn)而借助鋼管的約束力套箍混凝土，達(dá)到整體受力的效果，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)上的靜荷載、動(dòng)荷載均由鋼管混凝土共同承擔(dān)，有效地提高主體結(jié)構(gòu)的抵抗力與強(qiáng)度，也在一定程度上使橋梁塑性形變能力大大增強(qiáng)。在鋼管混凝土拱橋的施工建造階段，需要著重關(guān)注對(duì)拱軸線的合理選擇，確保在實(shí)際應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，能充分發(fā)揮其良好抗壓強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，一方面適當(dāng)減小承受彎矩，另一方面有效提高其承載能力，確保拱橋在應(yīng)用階段內(nèi)的跨越能力符合設(shè)計(jì)要求，適應(yīng)差異化的環(huán)境條件，保持外部形態(tài)的美觀性[1]。

2 鋼管混凝土拱橋拱肋施工控制流程

在實(shí)際的施工控制過(guò)程中，施工人員應(yīng)關(guān)注結(jié)構(gòu)安全，在開展橋梁內(nèi)力和變形控制工作時(shí)一定要確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。近年來(lái)，我國(guó)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)體系越來(lái)越完善，檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，內(nèi)力檢測(cè)的精度和準(zhǔn)度都有了較好的保證，所以利用拱肋、吊桿、橫梁等內(nèi)力控制為原則，采用內(nèi)力和變形雙控措施開展工作較為穩(wěn)妥。在鋼管混凝土拱橋工程的施工階段，需要針對(duì)各個(gè)作業(yè)階段的具體要求與特點(diǎn)，借助不同的計(jì)算方法，計(jì)算拱肋結(jié)構(gòu)的多項(xiàng)控制指標(biāo)，例如撓度值、預(yù)拋高值及位移值等。通過(guò)分析與觀察當(dāng)前大部分此類橋梁工程的實(shí)際施工情況可以發(fā)現(xiàn)，施工過(guò)程雖然能夠獲得精細(xì)、準(zhǔn)確的理論性數(shù)值，但是工程施工過(guò)程的不確定性較高，因此難以有效指導(dǎo)一系列施工或難以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。深入研究導(dǎo)致出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于，只有采取分段吊裝鋼管拱肋并成拱后，才能進(jìn)行混凝土灌注施工。除此之外，在橋面系的吊裝作業(yè)期間，很可能會(huì)不同程度地改變結(jié)構(gòu)體系，復(fù)雜的外界影響因素也會(huì)給施工帶來(lái)干擾，因此也會(huì)制約并阻礙鋼管混凝土橋的架設(shè)施工。總而言之，要確保鋼管混凝土拱橋的整體施工質(zhì)量，合理規(guī)劃具體的作業(yè)流程，對(duì)各個(gè)專業(yè)部分的完成質(zhì)量開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合實(shí)際情況，科學(xué)調(diào)整拱肋結(jié)構(gòu)的外觀形態(tài)，并嚴(yán)格分析其受力情況，為拱肋施工的安全性、穩(wěn)定性提供必要保障，順利完成鋼管混凝土拱橋的建設(shè)，營(yíng)造安全、良好的交通環(huán)境，切實(shí)提高橋梁工程的質(zhì)量水平[2]。

3 鋼管混凝土拱橋拱肋施工工藝

3.1 工程概況

本文以某市鋼管混凝土橋梁工程為例，其主體跨徑為60 m，拱橋類型為下承式有推力的鋼管混凝土橋，主拱圈部分設(shè)計(jì)為啞鈴形的結(jié)構(gòu)形式，并采用鋼混組合式結(jié)構(gòu)建造橫梁，在橋面部分采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式，鋪設(shè)適宜長(zhǎng)度的普通鋼筋砼空心板。利用焊接“工”字鋼梁完成縱梁部分的鋪設(shè)工作。綜合考慮安裝施工的具體要求，選擇利用高強(qiáng)螺栓完成各個(gè)銜接部分的連接工作。該橋梁處于某地區(qū)的重要通道位置，綜合考慮施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件與技術(shù)應(yīng)用等多方面的因素后，選擇纜索吊裝的施工方法，對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行吊裝，包括橫梁、主拱肋及橋面板等。劃分全橋?yàn)閹讉€(gè)大小相等的節(jié)段，按照橋跨中心線這一基準(zhǔn)，對(duì)各項(xiàng)部件進(jìn)行對(duì)稱布置，合理裁定拱肋的中距，在每個(gè)節(jié)段內(nèi)縱橋向水平投影的最大長(zhǎng)度必須控制在規(guī)定范圍內(nèi)，規(guī)范地標(biāo)定最大荷載。鋼管拱橋整體吊裝示意圖如圖1所示。

3.2 鋼管拱加工

在制作鋼管拱圈期間，需要嚴(yán)格開展質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作，一方面確保制作工藝符合規(guī)范要求，另一方面嚴(yán)格參照設(shè)計(jì)要求施工。溫度因素不僅會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的制作加工質(zhì)量，還有可能干擾結(jié)構(gòu)的安裝施工過(guò)程。因此，在加工鋼構(gòu)件的作業(yè)期間，應(yīng)重點(diǎn)把控鋼材料溫度的具體變化情況，觀察它是否存在焊接收縮等，包括畫線的粗細(xì)程度，如若缺少對(duì)此類因素的有效把控，會(huì)使拱圈的制作質(zhì)量與預(yù)期效果之間存在較大偏差。在正式制作鋼管拱圈前，需結(jié)合實(shí)際需求分析各項(xiàng)參數(shù)，做好一系列準(zhǔn)備工作，按照基礎(chǔ)部分的施工要求，構(gòu)建完善、可行的作業(yè)計(jì)劃。在鋼管拱加工作業(yè)階段，需實(shí)時(shí)觀測(cè)溫度的實(shí)際變化，以設(shè)計(jì)方案中標(biāo)定的合攏溫度為基準(zhǔn)，科學(xué)矯正實(shí)際溫度，保證鋼管拱加工的精度與質(zhì)量水平[3]。

3.3 拼接鋼

鋼管混凝土拱橋施工的鋼管拼接作業(yè)主要涉及兩個(gè)部分：一是平拼鋼管拱單肋，二是整體立拼鋼管拱相鄰段。在實(shí)際拼接作業(yè)階段，需綜合考慮橋梁工程的建設(shè)規(guī)模，系統(tǒng)分析周邊環(huán)境等可能存在的影響因素，精準(zhǔn)測(cè)量接頭坐標(biāo)，準(zhǔn)確劃定相連位置，在此基礎(chǔ)上緊密連接鋼管混凝土拱橋的主體結(jié)構(gòu)，使其形成一個(gè)完整、牢固的整體，保障橋梁工程的完成質(zhì)量與使用成效。

4 鋼管拱肋安裝線形控制

4.1 安裝拱肋

在鋼管拱肋的吊裝安裝施工中，需要對(duì)多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)把控，例如標(biāo)高、拱肋軸線等，其中最重要的控制任務(wù)當(dāng)屬對(duì)拱肋整體線形的實(shí)時(shí)控制。在拼裝拱肋作業(yè)階段，主要借助側(cè)風(fēng)纜、摳索等技術(shù)手段調(diào)整軸線偏位和拱肋線形，對(duì)測(cè)量技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，需要對(duì)整個(gè)吊裝過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)控，在橋梁工程兩邊的陸地上固定風(fēng)纜錨。

（1）對(duì)拱肋線形測(cè)量的控制。這一部分的施工需要結(jié)合橋梁拱肋線形的主要特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的控制方法，嚴(yán)格參照拱肋線形的設(shè)計(jì)要求，規(guī)范拼裝拱肋的整個(gè)作業(yè)過(guò)程，保障其呈現(xiàn)效果。與此同時(shí)，在實(shí)際施工階段需按照設(shè)計(jì)拱肋線形放樣標(biāo)準(zhǔn)，將預(yù)抬量適當(dāng)增加，使調(diào)整摳索的次數(shù)適量減少，為了給技術(shù)人員的測(cè)量工作提供方便，可以在施工中引入對(duì)全站儀等專業(yè)設(shè)備的使用，在軸線放置全站儀可以精準(zhǔn)定位測(cè)點(diǎn)軸線。在適當(dāng)?shù)膫?cè)向位置放置設(shè)備便于觀察測(cè)評(píng)點(diǎn)面和高程定位等 [4]。在安裝拱肋方面，要確定每段拱肋的具體位置，在測(cè)點(diǎn)的選擇方面，應(yīng)優(yōu)先考慮正在安裝的拱肋端頭，以及兩拱對(duì)接處等，準(zhǔn)確測(cè)量高程、拱軸線及平面位置，記錄和分析主要的參數(shù)數(shù)據(jù)。若鋼管混凝土橋梁工程施工中增加了拱肋軸線，則可以借助改變摳索長(zhǎng)度，科學(xué)、合理地調(diào)整拱肋高程。此外，可以改變側(cè)風(fēng)纜的實(shí)際長(zhǎng)度，有效調(diào)整拱肋軸線可能出現(xiàn)的橫向偏離情況。

（2）預(yù)抬量的設(shè)置。調(diào)節(jié)扣索不僅可以優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的外觀形態(tài)，還可以提高拱肋軸線的設(shè)置質(zhì)量，確保其滿足設(shè)計(jì)要求中的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但通過(guò)觀察大部分橋梁工程扣索的安裝情況發(fā)現(xiàn)，普遍存在頻繁調(diào)索的作業(yè)問(wèn)題，不僅會(huì)影響鋼管混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，也會(huì)不同程度地延長(zhǎng)施工周期，影響作業(yè)進(jìn)度。要想整體工程的質(zhì)量得到保障，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況有效把控調(diào)索次數(shù)，防止出現(xiàn)多次調(diào)索的現(xiàn)象[5]。在此過(guò)程中，對(duì)預(yù)抬量的合理設(shè)置顯得尤為重要。以拱肋安全為基礎(chǔ)，要實(shí)時(shí)掌握扣索索力的具體狀況，然后應(yīng)用專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件，精準(zhǔn)模擬計(jì)算結(jié)果，加載工程施工中涉及吊裝順序和扣掛體系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，需借助現(xiàn)有的張拉設(shè)備復(fù)核計(jì)算張拉力。在完成一系列的計(jì)算與復(fù)核作業(yè)后，同時(shí)完成張拉、收緊扣索的操作，確保預(yù)抬高程達(dá)到前期的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。利用這樣的技術(shù)手段吊裝其他作業(yè)段的扣索，能夠較好地優(yōu)化拱肋安裝質(zhì)量，使調(diào)索次數(shù)大大減少。在進(jìn)行模擬計(jì)算的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采用MIDAS軟件平臺(tái)進(jìn)行操作，并合理加載對(duì)應(yīng)的扣掛體系統(tǒng)，確保整體順序符合標(biāo)準(zhǔn)。完成前期計(jì)算后，便可以按照該方法進(jìn)行后續(xù)的整體吊裝，確保流程能夠處于最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)良好的管理目標(biāo)。此外，需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的復(fù)合計(jì)算，防止出現(xiàn)錯(cuò)漏問(wèn)題，提高預(yù)抬量的數(shù)據(jù)可靠性，降低出現(xiàn)不良情況的概率。

（3）對(duì)安裝次數(shù)的控制。安裝鋼管混凝土拱橋的拱肋，需要重點(diǎn)關(guān)注溫度變化，這是影響整個(gè)安裝作業(yè)的關(guān)鍵因素。在溫度變化的過(guò)程中，拱肋形態(tài)也可能產(chǎn)生相應(yīng)改變，進(jìn)而影響扣索的鋼絲繩。通過(guò)實(shí)踐觀察發(fā)現(xiàn)，拱肋高程會(huì)受到晝夜溫差的影響，主要原因在于由鋼管拱結(jié)構(gòu)形成的拱肋具有較強(qiáng)的密封性，當(dāng)熱量存儲(chǔ)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，因此在拱肋安裝施工方面，需確保環(huán)境溫度適宜，獲得真實(shí)有效的數(shù)據(jù)結(jié)果，保證安裝拱肋線形的準(zhǔn)確性。采取一系列措施后，能夠有效解決安裝次數(shù)的控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)良好的處理目標(biāo)。通常，安裝鋼管混凝土拱橋的最佳適宜溫度為25 ℃，在這一環(huán)境條件下進(jìn)行拱肋安裝能夠有效保證安裝次數(shù)符合對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。為了確保后續(xù)流程的正常進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)在日出前進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，確保測(cè)量結(jié)果符合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，提高拱肋安裝線形的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

4.2 控制合攏

天氣環(huán)境會(huì)對(duì)鋼管拱肋安裝的合攏控制產(chǎn)生一定影響，因此在合攏安裝施工前，需緊密觀測(cè)相鄰3～5天的天氣情況，并選擇適宜的時(shí)間觀測(cè)溫度變化趨勢(shì)，一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮溫度較低的時(shí)期，有規(guī)律地記錄氣溫的觀測(cè)結(jié)果，綜合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，確定適宜拱肋瞬間合攏的最佳溫度，然后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成合攏施工。在合攏控制方面，應(yīng)對(duì)活動(dòng)法予以靈活運(yùn)用，有效把控合攏兩端，一方面滿足拱肋的安裝施工要求，另一方面應(yīng)留有富余量。此外，可以借助測(cè)量平安位置、測(cè)量拱頂測(cè)點(diǎn)高程等方法，精準(zhǔn)化定位合攏段，確保拱橋成橋后，鋼管拱圈處于最佳受力狀態(tài)下。科學(xué)合理的技術(shù)把控有助于優(yōu)化合攏的安裝質(zhì)量，使得橋梁的實(shí)際使用年限顯著延長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)對(duì)鋼管混凝土拱橋拱肋施工的線形控制，有利于提高橋梁工程的整體建設(shè)質(zhì)量，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的整體外觀形態(tài)，精準(zhǔn)分析拱肋安裝線形要求，滿足現(xiàn)代化橋梁工程施工建設(shè)的多元化發(fā)展需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙藝程，萬(wàn)川龍，許諾.鋼管混凝土拱橋的拱肋吊裝扣索力計(jì)算方法分析與探討[J].四川水泥，2020（11）：43-44.

[2]潘棟.超大跨鋼管混凝土拱橋施工過(guò)程中的智能主動(dòng)控制研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2020.

[3]李臣嶸.鋼管混凝土拱橋拱圈施工過(guò)程力學(xué)分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2020.

[4]周彥文，李書兵，唐劍.大跨度鋼管混凝土拱橋成拱線形控制技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2020，49（2）：55-60，98.

[5]王紅偉.大跨度鋼管混凝土拱橋施工階段非線性穩(wěn)定性能研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2019.