余 林， 雍家林， 王亞萍， 羅云峰

(1.中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011; 2.中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100043; 3.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

系桿拱橋是一種組合體系，具有梁橋和拱橋的大部分優(yōu)點。拱和梁通過傾斜的吊桿以鉸接的方式連接，通常被稱為尼爾森體系拱橋。尼爾森體系拱橋的傾斜吊桿可以提高橋梁的豎向剛度，降低拱肋和系梁的彎矩和剪力，在活載作用下具有較小的撓度，因此特別適合對剛度要求較高的高速鐵路橋梁[1]，目前應用非常廣泛，尤其以鋼管混凝土系桿拱橋居多。

鋼管混凝土單跨系桿拱橋為外部靜定、內部超靜定結構，較常見的施工方法為預應力混凝土系梁采用滿堂支架，待澆筑完成并張拉預應力筋后，在其上設支架安裝拱肋，泵送混凝土后拆除拱肋支架，安裝吊桿，最后拆除系梁支架。整個施工過程中內部超靜定次數不斷變化，為了保證施工過程中的安全與穩(wěn)定，需要對施工過程進行受力分析并實施現場監(jiān)控[2-10]。

本文以商合杭高速鐵路工程無量溪特大橋80 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋為工程背景，采用Midas軟件建立有限元模型，對施工過程中的受力行為進行了分析，并詳細介紹了施工監(jiān)控方案及測點布置情況，為同類結構擬定施工監(jiān)控方案提供參考。

1 工程概況

商合杭高速鐵路工程無量溪特大橋橋型為1-80 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。拱肋橫斷面為啞鈴形，鋼管為?1 000 mm×16 mm，上下鋼管內填充C55無收縮混凝土。系梁為單箱三室預應力混凝土箱形截面，梁高2.5 m，橋面寬16.4 m。吊桿為127?7 mm高強度低松弛鍍鋅平行鋼絲束，按尼爾森體系布置。兩拱肋之間設3道橫撐，拱頂處為X型撐和3道一字撐，其余為K型撐，分別由?500 mm、?400 mm、?360 mm的圓形鋼管組成。全橋結構布置及截面見圖1。

圖1 橋梁結構圖(單位：cm)

2 施工階段受力性能分析

2.1 有限元模型的建立

采用Midas/Civil建立該橋的有限元模型，其中系梁、拱肋和橫撐均采用梁單元，吊桿采用只受拉桁架單元。系梁兩端支座采用簡支約束；系梁及拱肋的現澆支架采用僅受壓彈性連接；拱肋和梁體的連接采用彈性連接中的剛性連接；吊桿與系梁和拱肋之間采用彈性連接的剛性連接。按照系桿拱橋上部結構在施工全過程的受力特點和實際的施工順序，在Midas/Civil軟件中劃分成16個施工階段，見表1。

表1 劃分的施工階段

全橋整體有限元模型共有526個節(jié)點，458個單元。有限元模型見圖2。

圖2 整體有限元模型

2.2 有限元分析結果

2.2.1 位移

選取左端拱腳截面、左側1/4截面和跨中截面進行系桿和拱肋的豎向位移分析，見圖3，其中位移以向上為正、向下為負。由圖3可知：

(1)由于系梁為滿堂支架施工，故在張拉吊桿之前，位移一直很小，但由于預應力的作用產生了較小的上拱；在張拉吊桿階段，由于吊桿力的作用，系梁上拱位移增大；在加載二期恒載后，系梁跨中豎向撓度達到最大。

(2)與系梁相反，拱肋在拆除支架后產生向下的位移，但量值較?。辉趶埨鯒U階段，下撓值明顯增大；加載二期恒載后，下撓值繼續(xù)增大，但增幅不明顯。

2.2.2 應力

系桿和拱肋在左端拱腳截面、左側1/4截面和跨中截面處的應力見圖4，其中應力以受拉為正、受壓為負。由圖4可以得出：

(1) 系梁在每個施工階段均受壓，張拉系梁預應力筋后，系梁壓應力開始減小；在安裝拱肋、澆筑拱肋混凝土、拆除拱肋支架的3個階段中，系梁的壓應力繼續(xù)減小，但幅度較??；張拉吊桿后，系梁的壓應力明顯減?。辉谝瞥凉M堂支架之后，橋梁的整體剛度形成并且壓應力繼續(xù)減小。

圖3 施工階段各截面豎向位移

圖4 施工階段各截面應力

(2) 拱肋各截面的應力不斷增大，且都是壓應力；在每個階段的基本趨勢是拱腳截面處的應力最大，跨中截面處的應力最?。患虞d二期恒載后，各控制區(qū)的應力達到最大值，拱腳橫截面壓應力最大，為82.8 MPa，跨中截面處應力為67.1 MPa。

3 施工過程監(jiān)測

施工監(jiān)測的主要內容由系梁及拱肋的線形監(jiān)測、系梁及拱肋的應力監(jiān)測和吊桿張拉力監(jiān)測三部分組成。

3.1 監(jiān)測方案及測點布置

3.1.1 系梁及拱肋的線形監(jiān)測

使用全站儀測量系梁及拱肋的標高。在大小里程支座中心線之間，沿系梁的中心線，橋梁頂板表面每隔5 m布置測點，共計17個測點，如圖5所示。在每片拱肋的左側拱腳截面、左側1/4截面、跨中截面、右側1/4截面、右側拱腳截面上的腹板中心分別布置拱肋線形測點(反射片)，南北兩側拱肋共計10個測點，如圖6所示。

圖5 系梁標高測點布置示意圖(單位：cm)

圖6 拱肋標高測點布置示意圖(單位：cm)

3.1.2 系梁及拱肋的應力監(jiān)測

系梁采用埋設式振弦應變計，拱肋采用外置式振弦應變計，分別在系梁和拱肋的左側拱腳截面、左側1/4截面、跨中截面、右側1/4截面、右側拱腳截面共5個截面上布置應力測點，見圖7。

圖7 應力測點布置示意圖

3.1.3 吊桿張拉力監(jiān)測

吊桿索力的測試采用預裝的光纖光柵壓力計和相應的調節(jié)儀，根據設計院提供的吊桿張拉索力，采用“張拉時以千斤頂壓力表控制為主，索力監(jiān)測為輔；張拉完成后以索力監(jiān)測為主”的控制方案。

3.2 線形監(jiān)控結果分析

3.2.1 系梁線形

由于本橋的施工方法是支架現澆，故在拆除系梁支架之前，系梁的變形都非常小，只在吊桿張拉完畢、拆除系梁支架及施加二期恒載這3個階段系梁變形比較大。這3個階段的計算高程和相鄰兩階段的計算高程差值如圖8和圖9所示。

圖8 3個階段的計算高程

圖9 相鄰2個階段的計算高程差值

從圖8和圖9可以看出，吊桿張拉完畢、拆除系梁支架及施加二期恒載這3個階段，吊桿張拉完畢后系梁跨中撓度持續(xù)增大，系梁的線形變化的最大值位于跨中部位；拆除系梁支架后系梁跨中撓度變化較??；施加二期恒載后系梁跨中撓度達到最大，因此選擇此3個階段作為重點監(jiān)控。各階段系梁的計算高程和實測高程如圖10所示。

由圖10可知：系梁的線形實測結果與計算結果變化趨勢一致，而且這3個施工階段的實測結果與計算結果的差值在可控范圍內，施工過程中線形的實測高程和計算高程最大絕對差值在5 mm以內，符合相應規(guī)范要求。

3.2.2 拱肋線形

根據施工順序以及拱肋標高測點布置位置，在拱肋到場之后，分別在相應位置粘貼反光貼，再對拱肋線形進行監(jiān)測。根據有限元分析結果，選取豎向變形較大的拆除拱肋支架、吊桿張拉完畢、拆除系梁支架階段及施加二期恒載階段這4個階段進行監(jiān)測，得到拱肋豎向位移計算值與實測值的對比見圖11，圖中截面1～截面5分別代表拱肋左側拱腳截面、左側1/4截面、跨中截面、右側1/4截面、右側拱腳截面。

圖10 系梁高程計算值與實測值對比

由圖11的可知：拆除拱肋支架、吊桿張拉完畢、拆除系梁支架及施加二期恒載這4個階段，拱肋的線形變化的最大值位于跨中位置，拆除拱肋支架階段拱肋跨中撓度為-1.72 mm；吊桿張拉完畢后拱肋跨中撓度達到-18.4 mm；拆除系梁支架后拱肋跨中撓度變化不明顯；施加二期恒載后拱肋跨中撓度達到最大為-21.7 mm。結果顯示，南北2片拱肋撓度的實測值與計算值較為吻合，而且2片拱肋變形的趨勢基本一致，滿足監(jiān)控要求。

3.3 應力監(jiān)控結果分析

3.3.1 系梁應力

系梁5個測點截面在各施工階段的應力計算值與實測值見圖12所示。由圖12可以看出，系桿拱橋在施工過程中系梁的應力發(fā)展情況與計算應力基本吻合，并且兩者差值在10%以內，在可控范圍之內，符合規(guī)范要求。個別測點應力實測值與計算值差距較大，可能是由于測量時溫差較大引起的，因此在每次采集數據時，應盡量選取與前次測量時溫度相近的時刻，以最大程度減小溫度的影響。

3.3.2 拱肋應力

拱肋5個測點截面在各施工階段的應力計算值與實測值見圖13所示。

由圖13可知：施工階段最大應力都發(fā)生在拱腳附近，跨中截面應力值相對較??；在施工過程中，拱肋應力的測量值與計算值一致。兩者之間的差異小

圖11 拱肋高程計算值與實測值對比

于10%，南側和北側兩個拱肋的應力趨勢基本相同，在可控范圍內，符合規(guī)范的要求。

3.4 吊桿張力監(jiān)控結果分析

本橋采用尼爾森吊桿體系，共計32根吊桿分成

圖12 系梁應力計算值與實測值對比

8組，同組4根相同長度吊桿同時張拉。按照吊桿位置，南側拱肋小里程端、南側拱肋大里程端、北側拱肋大里程端、北側拱肋小里程端分別編號1、2、3、4。取拆除系梁支架階段和施加二期恒載階段的實測值與理論值進行對比分析，見圖14。

由圖14可知，拆除系梁支架及施加二期恒載后，吊桿內力值增大，因此應進行二次調整，使之滿足精度要求的吊桿符合要求。利用索力動測儀進行索力調整后，所有吊桿內力的實測值與計算值的偏差均在5%范圍內，符合設計要求。

4 結論

本文以商合杭高速鐵路工程80 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋無量溪特大橋為工程背景，采用Midas軟件建立了有限元模型，對各施工階段的受力行為進行了分析，并進行了應力及線形施工監(jiān)控，結果表明：

(1)拆除系梁支架之前，拱橋整體表現為系梁上拱，拱肋下撓；拆除系梁支架后，系梁和拱肋均在跨中產生最大撓度。

(2)系梁和拱肋在每個施工階段均受壓，但隨著拱肋的安裝和拱橋整體剛度的增大，系梁壓應力下降，拱肋壓應力增加，逐漸出現系桿拱橋的受力特征。

圖13 拱肋應力計算值與實測值對比

圖14 吊桿張力計算值與實測值對比

(3)系梁和拱肋的實測應力和位移均與有限元計算結果比較接近，二者得到相互驗證，說明施工監(jiān)測方案合理，監(jiān)測結果表明拱橋的施工過程符合規(guī)范要求。