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下承式钢管混凝土系杆拱桥施工控制

发表时间：2021/4/6 来源：《建筑科技》2021年1月上作者：黄国豪

[导读] 本文以某一主跨149m的下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，讨论了该桥主要工序的施工控制技术。文中介绍了斜拉扣挂施工扣索的有限元模拟方法。重点介绍了拱肋节段吊装、桥面系安装的控制措施。实践证明，该桥控制效果良好，相关成果可供同类桥梁参考。

江苏南京中铁大桥局集团第四工程有限公司黄国豪 210031

摘要：本文以某一主跨149m的下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，讨论了该桥主要工序的施工控制技术。文中介绍了斜拉扣挂施工扣索的有限元模拟方法。重点介绍了拱肋节段吊装、桥面系安装的控制措施。实践证明，该桥控制效果良好，相关成果可供同类桥梁参考。
关键词：钢管混凝土系杆拱桥；施工控制；拱桥；斜拉扣挂法
中图分类号：U448.25；U442.5             文献标识码：A
        桥梁施工控制的目的是对成桥目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥后结构受力和线形满足设计要求[1,5]。本文以某一下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，说明该桥的施工控制过程。
        1.工程概况
        某下承式钢管混凝土系杆拱桥，拱肋为钢管混凝土桁架结构，主孔跨度149米（计算跨径为140米），计算矢跨比为1/5，拱轴系数为1.25，拱肋截面径向高3.3米，肋宽2.0米；每肋为上、下各两根φ750×20/16/24mm、内灌C50自密实补偿收缩混凝土，横向通过φ425×12mm横联钢管连接（吊杆处横联为φ500×16mm钢管），竖向通过φ350×10mm腹杆钢管连接而构成（吊杆处竖向腹杆为φ350×12mm）。吊杆间距为6.9米，采用GJ15-25钢绞线整束挤压成型吊杆，张拉端位于拱顶。系杆采用高强度低松弛钢绞线成品拉索（外包PE护套）。系杆从拱肋及其两边通过并锚固于拱座端部，每片拱肋下布置10束系杆孔（其中有2束为预留换索通道），系杆规格为MXGK15-27型可换索式钢绞系杆。两肋间共设置7道“一”字横撑，横撑均为桁架结构。桥面系由两部分组成：①钢纵梁与钢横梁通过高强螺栓连接形成的梁格体系；②预制混凝土桥面板。两部分通过湿接缝和剪力钉形成整体。桥面活载传力途径为：混凝土桥面板→钢纵梁→钢横梁→吊杆→拱肋。
主桥施工过程为：①拱肋架设：缆索吊装斜拉扣挂法施工，每片拱肋划分为8个吊装节段，最大吊重为37t，拱肋逐节段吊装就位，通过张拉扣索进行线形调整。扣索采用多束φ15.2低松弛钢绞线组成。拱座处设置有临时铰，于拱肋合龙、横撑安装完毕后进行封铰。②内灌混凝土：封铰后拆除扣索，按内侧下弦管→外侧下弦管→内侧上弦管→外侧上弦管的顺序进行灌筑。③安装桥面系：依次安装吊杆横梁、小纵梁、桥面板，最后进行桥面铺装及附属施工。内灌混凝土与安装桥面系期间，根据计算情况分批次张拉系杆。

        2.施工监控重点与计算方法
        2.1施工监控重点
        根据本桥的设计和施工特点，该桥施工监控的重点为：（1）临时扣塔对拱肋线形的影响：本桥缆扣塔合一，扣塔变位对拱肋线形影响较大，因此施工过程中应重点控制扣塔水平变位。（2）扣索张拉力的确定：拱肋合龙前悬臂较长，扣锚索体系与拱肋组成复杂的“斜拉扣挂”体系，准确计算扣索初拉力，减少大悬臂调索是该桥控制的重点。（3）温度作用影响显著：该桥拱肋、扣索均为钢结构，温度作用对施工过程计算分析和监测影响显著。
        2.2计算模型
        计算采用midas Civil桥梁专用有限元分析软件进行结构分析。扣索、吊杆、系杆采用桁架单元，其余结构采用梁单元。模型的边界条件与施工过程一致，拱脚铰轴通过释放弯矩约束进行模拟。扣索锚端采用固定约束。需要说明，由于扣索经扣塔顶部滑轮转向在地面张拉，为模拟扣索抗拉刚度，将扣索作了延长处理（将塔后索沿塔前方向延长）[3]。计算按实际施工步骤进行了施工正装过程模拟。

        3.施工过程控制
        3.1拱肋吊装控制
        拱肋上、下游各分为8段，采用缆索吊装-斜拉扣挂法施工，施工过程中主要采取了以下控制措施：
        （1）确定主拱肋成拱线形
        主拱成拱线形为主拱制造线形y0与空钢管成拱后一次落架的自重挠度δ1（下挠为正）之差。该线形即为拱肋吊装控制的目标线形，也称成拱线形。
        （2）扣索初拉力的确定
        扣索初拉力采用以下方式确定：首节段安装时，由于拱脚设置有临时铰，结构为机动体系，无法直接施加扣索力，因此在扣点处临时先设置一竖向支承，此时不激活扣索，计算得到支反力后，根据受力平衡易求出扣索力F；此时再将扣索激活，并施加扣索力F，下一阶段将竖向支承钝化即可；后续节段安装时，以当前节段扣索张拉力保持前一节段前端位移不变为条件进行试算，进行一次正装计算即可依次求出后续扣索的初拉力。
        （3）拱肋节段安装预抬高
        得到扣索初拉力后，按实际施工步骤正装分析至合龙拆索阶段。假定拱肋节段i安装就位时位移为δi，拱肋合龙、扣索拆除后的位移为δ2，则可得出拱肋节段安装预抬高[4]为δp=δi-δ2。假设拱肋制造线形为y0（为已知量），则可得到节段安装线形yi=y0-δ1+δp。其中y0-δ1即为主拱成拱线形。
        3.2桥面系安装控制
        桥面系施工是一个重量逐渐加载的过程，总的来说包括：（1）吊杆横梁、（2）小纵梁、（3）桥面板、（4）桥面铺装、（5）附属设施。尤其是吊杆横梁的定位，需要考虑后续荷载产生的位移，提前进行预抬。而且随着重量逐渐增大，拱肋水平推力随之增大，需要对应张拉系杆。因此桥面系架设过程中拱座水平位移的监测、拱肋变形和应力的监测是控制重点。实际施工时，对拱座水平位移进行了持续监测，最大位移量为3mm，小于理论计算值5mm，满足控制要求。
        3.3拱肋应力监测
        通过在拱肋关键截面布置应变传感器，监测各施工工况下应变变化情况，并与理论计算值进行对比分析，当出现较大偏差时，则应查明原因后再进行施工。本桥采用振弦应变计，根据结构受力特点，监测断面位于拱脚和拱腹处。本桥施工过程中主拱肋钢管拱脚断面实测最大压应力为128MPa，略小于理论计算值132MPa。
        4.结语
        目前该桥已完成桥面系施工，正在进行附属施工。成桥状态下，该桥拱肋线形、桥面线形均与理论值吻合良好，桥面线形平顺流畅；拱肋关键截面应力与理论值基本吻合，结构受力状况良好，符合设计要求。本文成果可供类似工程参考。
参考文献(References)：
[1]向中富. 桥梁施工控制技术 [M]. 北京：人民交通出版社，2001.
[2]陈宝春. 钢管混凝土拱桥（第三版）[M]. 北京：人民交通出版社，2016.
[3]姚昌荣，李亚东. 钢管混凝土拱桥线形控制技术研究[J]. 公路交通科技，2006，23（10）：65-69.
[4]顾颖，姚昌荣，李亚东，康玲，揭志羽. 大跨度钢管混凝土拱桥安装线形控制方法研究[J]. 桥梁建设，2014，44（1）：107-113.
[5]范海军，曹建安，曹霖. 下承式钢管混凝土系杆拱桥施工监控概述[J]. 公路工程，2012，37（2）：8-10，32.