摘要:結合鋼管混凝土拱橋施工控制的實例,探討鋼管混凝土拱橋施工控制的主要內容與控制方法,對監控結果進行分析,并對施工中需注意的事項提出幾點建議。

關鍵詞:鋼管混凝土　拱橋　施工控制

中圖分類號:U448122 + 4 　文獻標識碼:B

　工程概況

　　倮裹大橋主橋為60 m(鋼筋混凝土箱形拱) + 3 ×98 m(鋼管混凝土拱) + 60 m(鋼筋混凝土箱形拱) ,總體布置見圖1。其中鋼管拱肋的主拱圈均采用啞鈴形截面,上、下鋼管均為厚14 mm <900 mm ,與腹板一起組成高2．2 m 的豎啞鈴,內灌C50 混凝土。鋼管拱肋采用纜索吊裝法施工。

　　鋼管混凝土拱橋的施工過程大致可分為四個階段: ①鋼管拱肋制作; ②架設空鋼管拱肋; ③灌筑管內混凝土; ④橋面系的安裝施工。

2 　施工控制的目的和原則

2．1 　施工控制的目的

　　鋼管混凝土只有在受壓時才能充分體現出其優越的技術經濟性能,合理的拱軸線可以使拱肋在成橋后處于受壓狀態,能夠充分發揮材料的特性。大跨度拱橋的設計拱軸線雖是經過設計人員精心計算確定的,但施工中由于多種不確定因素的影響,難免與設計間存在誤差,特別是拱肋的施工方法,往往會給結構帶來復雜的內力和位移的變化,對倮裹大橋進行施工控制的目的就是使其成橋后的內力和線形最大限度地接近理想設計狀態。

2．2 　施工控制的原則

　　根據鋼管混凝土拱橋的特點,在施工過程中總的控制原則是,在確保拱肋穩定的情況下,采取以變形控制為主、兼顧應力控制的雙控原則。在不同的施工階段,施工控制的側重點有所不同:

　　1) 鋼管拱肋架設階段　由于鋼管拱肋一經合龍,在此后的施工過程中無法再進行大的調整,或者說調整的余地非常有限,因此,本階段的控制重點是對鋼管拱肋的軸線和標高進行控制,即以線形控制為主,應力控制為輔。

　　2) 管內混凝土澆筑階段　拱肋截面特性隨施工進程不斷變化,先期澆筑的混凝土與鋼管拱肋一起參與后期混凝土的荷載,在整個澆筑過程中拱肋截面的應力和變形都在變化,該階段以應力控制為主,變形控制為輔。

　　3) 橋面系安裝階段　該階段鋼管混凝土拱肋已有很大的剛度,拱軸的變化比較小,只需遵循對稱均衡加載的原則安裝橋面系,使拱肋均勻受力變形就不會有大的問題,因此,該階段的控制重點是橋面的線形控制。

2．3 　施工控制的具體任務

　　結合鋼管混凝土拱橋的施工特點,本橋施工控制的重點主要放在鋼管拱肋安裝合龍階段與灌筑管內混凝土階段,施工控制的內容主要為: ①主拱肋吊裝階段的軸線控制; ②灌筑管內混凝土階段主拱的變形與關鍵部位的應力監測; ③各施工階段的標高控制; ④施工各階段的應力控制。

3 　施工控制的方法與手段

　　對結構的應力控制主要是利用有限元程序對施工過程進行模擬計算,得出理論計算值,再與實測值進行比較,對結構的實際狀態作出合理的判斷,如有問題及時采取適當的補救措施。應力、應變的實測主要利用鋼弦式表面應變計進行。

　　對標高和軸線的控制主要采用建立施工控制網,利用全站儀進行雙前測邊前方交會測量,并對觀測數據進行多次平差,從而最大限度地排除各種隨機因素產生的誤差。軸線的調整采用橫向側纜風進行,一般用手動葫蘆收放側纜風進行人工調整即可;標高調整通過收放扣索實現,即張拉扣索力或放松扣索使其由扣點至張拉處的長度縮短或加長,從而使拱段控制點的標高有所升降。

3．1 　施工過程的模擬計算

　　該橋施工前應用有限元程序對混凝土灌筑過程進行了內力、位移計算和穩定性驗算。考慮到本橋為典型的桿系結構,且墩臺有足夠大的剛度,計算時采用平面梁單元按固定拱建立模型。全橋共劃分為94 個單元,95 個節點。各階段荷載換算成主拱圈自重施加。

　　施工階段有: ①主拱鋼管合龍并封固拱腳(放松纜吊) ;②灌筑下管混凝土至LP4 處; ③灌筑下管混凝土至拱頂; ④灌筑上管混凝土至LP4 處; ⑤灌筑上管混凝土至拱頂; ⑥灌筑腹腔混凝土至LP4 處; ⑦灌筑腹腔混凝土至拱頂。施工各階段模擬計算結果見表1。

　　穩定性驗算表明,各階段的彈性屈曲系數均> 16 ,遠大于規范(規定為4～6) 的要求。因此,本橋灌筑混凝土的過程具有足夠的整體穩定性。

3．2 　施工控制網的建立

　　施工控制網的精度是決定觀測精度的主要因素,依據有關規范要求和結構允許的安裝誤差及變形大小,按精度匹配的原則擬定控制網的精度,以確保觀測誤差不至于掩蓋結構的真實變形。據此,建立二等精度控制網,由于原有高級控制點有一部分不能適應施工控制和變形觀測的需要,因而在原有控制網的基礎上按二等精度施工網加密控制點,使之組成一個四邊形二等三角網。

3．3 　監控測點的布設

3．3．1 　鋼管應力測點布置

　　應力狀況監測的目的主要是觀測鋼管拱在各個施工加載階段的應力變化情況,以便與理論計算值進行比較,對結構的實際狀態作出合理的判斷,如有問題及時采取適當的補救措施。由有限元仿真計算的結果可知,最不利截面位置基本對應于拱腳、LP4、拱頂截面,故應力測點布置設在拱腳、LP4、拱頂三截面處,每個截面均在上管的頂面及下管的底面,布置鋼弦式表面應變計,測試鋼管拱的應力應變情況。

　　在監控的過程中發現,拱腳截面處是主要的施工作業面,要進行多種作業,最后還要封閉,應變計布置于此很難避免受到刮、擦、碰撞甚至被破壞,故拱腳處截面測點布置時向跨中方向移半個節間,即布置在兩個節點間,以避開各種施工影響。通過對測點位置與應力最不利位置的應力進行對比計算,結果表明測點位置的應力值雖略小于最不利截面的應力值,但相差不大,可忽略不計。

3．3．2 　標高觀測點布置

　　標高觀測點設在靠近每個主拱分段接頭處和拱頂處,在鋼管拱肋的各測點處焊固基座,安裝觀測三棱鏡進行觀測。此方案不僅能進行長期實時觀測,還能反映整個鋼管拱的整體變形。

4 　觀測結果

　　在此僅給出三跨鋼管拱肋吊裝合龍階段鋼管拱的拱頂高程(含預拱度) 及軸線的設計值及其在合龍時和焊完并放松纜吊后的實測值見表2。

5 　結語

　　1) 由監測結果可以看出,合龍時的拱頂高程、軸線雖經反復調整,但結果與設計值仍有一定的偏差,主要原因是鋼管拱加工歷時長,加工時的環境溫度與安裝和合龍時相比相差很大,而鋼結構對溫度變化又十分敏感,導致鋼管拱軸線變化很大。因此,在鋼管拱肋制作時必須考慮溫度的影響, 即以合龍溫度(一般為

15 ℃～20 ℃) 換算鋼拱架制作在不同季節和時段因溫度變化產生的線膨脹或收縮值,在拱肋節段加工時計入。

　　2) 為切實保證鋼拱肋合龍后的軸線、高程符合設計要求,在制作拱肋合龍段(本橋為中段) 時,可按設計要求設置嵌填段,其設計長度為15 cm ,即制作時合龍段的長度比設計長度略長。

　　3) 拱頂高程、軸線在合龍時的實測值與焊完松纜吊后的實測值相比變化較大,主要是因為焊接時間過長(長達1 個星期左右) ,在此期間,環境條件變化較大,造成拱頂高程、軸線發生偏離。因此,為了更好的控制線形,鋼拱肋在吊裝合龍后,在選定的合龍溫度條件下及時施焊固結,盡量縮短焊固時間,迅速合龍,并在焊接時注意對稱施焊,以最大限度地減少焊接變形。為了減小接頭焊接殘余應力,接頭焊縫采用機械錘擊。

　　4) 在拱肋安裝過程中,考慮扣索彈性伸長設置拱肋節段的預抬高量,并推算后續安裝節段控制點高程,使拱肋在安裝階段和合龍后滿足線形要求。

　　5) 在灌筑管內混凝土階段,尤其是泵送靠近拱腳處拱段混凝土時,混凝土的重量完全由鋼管拱承擔,此時鋼管拱的受力是最不利的,變形也較大,此階段須采取一定的措施來控制鋼管拱的變形。可采取拱頂壓注水箱法或使扣索參與承擔荷載以代替施工配載,這樣不僅可以調整拱肋的形狀,還可使拱內的受力情況得到改善。

　　6) 在管內混凝土灌筑過程中鋼管拱的內力狀態和位移變化復雜,有必要按照施工進程進行跟蹤計算,以便與實測值進行對比,及時掌握結構的真實狀態,保證施工安全。