何永昶 上海鐵路局合肥樞紐建設(shè)指揮部

1 前言

鋼管混凝土拱橋采用先梁后拱施工方法，因施工中受力結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，施工難度較大[1-2]。另外主拱和主梁的應(yīng)力和線形受梁體自重、混凝土收縮徐變、溫度、吊桿張拉力等因素的影響較大，故需要對(duì)施工過程中的內(nèi)力和變形進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，以確保其成橋質(zhì)量。本文結(jié)合西笤溪特大橋工程實(shí)際，采用倒裝－-正裝計(jì)算法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)施工過程結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和控制。

2 工程概況

圖1 西笤溪特大橋主橋橋型布置圖(單位:m)

高速鐵路西笤溪特大橋?yàn)榭缭焦返哪釥柹峄@拱橋，梁高2.5 m，梁部全長(zhǎng)132 m，計(jì)算跨長(zhǎng)128 m，矢跨比1/5，拱肋平面內(nèi)矢高25.6 m，拱肋采用懸鏈線線形。系梁采用單箱三室箱梁，橋面寬17.8 m。在拱腳順橋向8 m范圍內(nèi)，設(shè)成實(shí)體段，且橋?qū)挾扔?7.8 m增至18.8 m。拱肋截面采用啞鈴型鋼管砼截面，截面高度3.4 m，鋼管直徑為1 200 mm，拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，形成提籃式，拱頂處兩拱肋中心距8.19 m，拱腳處兩拱肋中心距16.2 m。吊桿布置采用尼爾森體系，西笤溪特大橋的總體布置見圖1。

提籃拱采用先梁后拱施工工藝，在滿堂支架上澆筑系梁及拱腳混凝土；張拉系梁第一批縱向預(yù)應(yīng)力,安裝拱肋及橫撐,澆筑拱肋混凝土，拆除拱肋支架;依次張拉吊桿到指定初張力，張拉系梁第二批縱向預(yù)應(yīng)力,拆除系梁支架,鋪設(shè)路面。

3 施工控制計(jì)算

施工控制計(jì)算通過倒裝－正裝計(jì)算法進(jìn)行施工架設(shè)過程模擬計(jì)算分析。即按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序的逆過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)在每一施工階段理想的安裝位置（標(biāo)高）和理想的受力狀態(tài)（施工控制目標(biāo)值），作為正裝計(jì)算的初始狀態(tài)參數(shù)；然后按結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析（包括對(duì)結(jié)構(gòu)某些參數(shù)的調(diào)整），按照正裝計(jì)算出的橋梁結(jié)構(gòu)各階段中間狀態(tài)指導(dǎo)橋梁的安裝標(biāo)高和線形控制。

本橋控制計(jì)算采用有限元軟件“MIDAS Civi1”進(jìn)行空間計(jì)算，并采用橋梁博士V3.0進(jìn)行平面計(jì)算作為校核。

首先，根據(jù)該橋架設(shè)過程，進(jìn)行施工架設(shè)直至最終成橋全過程的計(jì)算，并計(jì)算該橋在各種荷載作用下橋梁各構(gòu)件的內(nèi)力、變形。然后，在實(shí)際施工過程中結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，調(diào)整計(jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析。有限元模型示意圖如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

再次，在鋼管混凝土拱橋的建模過程中，對(duì)拱肋截面采用 MIDAS的施工階段聯(lián)合截面進(jìn)行模擬。假定在施工階段，鋼材和混凝土緊密地連接在一起，取等效截面特性進(jìn)行計(jì)算和分析。

由于計(jì)算基本參數(shù)的在施工現(xiàn)場(chǎng)是經(jīng)常變化的，而且其變化能較敏感地反應(yīng)出在施工過程中其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)行為的影響，所以取這些參數(shù)如混凝土（材料）的彈性模量、構(gòu)件自重、施工荷載、結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和施工周期等作為控制基本參數(shù)。

與普通的系桿拱橋不同，剛性系梁剛性拱的尼爾森系桿拱橋吊桿張拉力對(duì)拱橋的成橋受力狀態(tài)影響較大，準(zhǔn)確的控制吊桿張拉力是保證結(jié)構(gòu)合理受力的關(guān)鍵。在施工過程中確定一個(gè)合理的索力張拉方案既可以減少重復(fù)張拉的工作，又可以保證施工過程結(jié)構(gòu)的安全；合理的成橋階段吊桿索力能使主梁、拱肋均達(dá)到理想的內(nèi)力狀態(tài)，保證運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。本橋控制計(jì)算時(shí)以成橋索力為目標(biāo)，調(diào)整初張力，進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，具體計(jì)算為：

（1）進(jìn)行倒拆分析計(jì)算，確定初始張力，而后將此初始拉力再代入正裝計(jì)算，得出成橋索力，與設(shè)計(jì)成橋索力比較。對(duì)索力偏差超過8%的索，調(diào)整其初拉力。

（2）將調(diào)整后的初拉力，輸入計(jì)算，得到第二次的成橋索力，并再次與設(shè)計(jì)成橋索力進(jìn)行比較，檢查成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力偏差，直到成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力偏差在8%以內(nèi)。

最終確定的吊桿初張力，并照此初張力指導(dǎo)施工,確定拱橋系梁和拱肋施工預(yù)拱度,見圖3。

圖3 拱橋主梁和半拱拱肋施工預(yù)拱度

4 橋梁施工監(jiān)控

本橋的施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用滿堂支架施工，拱肋鋼管在系梁上搭設(shè)支架安裝。隨著施工過程各階段荷載的增加和系桿預(yù)應(yīng)力、吊桿的張拉，主拱肋的空間線形、拱腳坐標(biāo)及橋面線形都會(huì)發(fā)生變化，為了使這種變化保持在可控制范圍內(nèi)，需要對(duì)拱肋線形、拱腳坐標(biāo)及橋面線形進(jìn)行測(cè)量。

通過在橋墩處標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量系梁和橋面標(biāo)高，并定期復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高。順橋向在每根吊桿處布置標(biāo)高測(cè)量斷面，每個(gè)斷面橫橋向布置三個(gè)標(biāo)高測(cè)點(diǎn)。通過全站儀用坐標(biāo)法測(cè)量拱肋線形。拱肋安裝完后將棱鏡布置在拱腳、1/4跨徑、1/2跨徑處，圖4為測(cè)點(diǎn)布置立面圖。

圖4 線形測(cè)點(diǎn)布置立面圖

圖5 成橋后的橋面高程設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖6 索力設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5為成橋后的橋面實(shí)測(cè)高程和設(shè)計(jì)值對(duì)比。由上圖可以看出，橋面標(biāo)高實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值基本吻合，說明實(shí)橋施工控制中主梁線形控制很好。

圖6為橋面鋪設(shè)后，吊桿實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)值對(duì)比。圖中橫坐標(biāo)1～14#索依次為拱腳至跨中，R、L分別為左、右半跨索。由圖可知，成橋后實(shí)測(cè)索力與索力設(shè)計(jì)值較為吻合，索力最大偏差不超過8%，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

西笤溪特大橋成橋后的橋面高程、吊桿索力測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算值基本吻合，均滿足相關(guān)規(guī)范要求，證明實(shí)橋成橋狀態(tài)良好。其施工監(jiān)控計(jì)算、監(jiān)測(cè)方法可供鋼管混凝土拱橋采用先梁后拱方案施工時(shí)參考。

[1]顧安邦.張永水.橋梁施工監(jiān)測(cè)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

[2]姚昌榮.李亞東.鋼管混凝土拱橋線形控制技術(shù)研究[J].公路交通科技.2006.23(10):67-73.

[3]鄒中權(quán).賀國(guó)京.大跨鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào).2007(4):71-75.

[4]王朝華.鄧國(guó)良.生米大橋主橋結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控[J].橋梁建設(shè).2007(2):69-83.