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，故需要對施工過程中的內(nèi)力和變形進(jìn)行同步監(jiān)測，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)算法對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對施工過程結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行有效的預(yù)測和控制。

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132 m，計(jì)算跨長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)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識別，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)，需要對拱肋線形、拱腳坐標(biāo)及橋面線形進(jìn)行測量。

通過在橋墩處標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀測量系梁和橋面標(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)高測量斷面，每個(gè)斷面橫橋向布置三個(gè)標(biāo)高測點(diǎn)。通過全站儀用坐標(biāo)法測量拱肋線形。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為測點(diǎn)布置立面圖。

圖4 線形測點(diǎn)布置立面圖

圖5 成橋后的橋面高程設(shè)計(jì)值與實(shí)測值對比

圖6 索力設(shè)計(jì)值與實(shí)測值對比

圖5為成橋后的橋面實(shí)測高程和設(shè)計(jì)值對比。由上圖可以看出，橋面標(biāo)高實(shí)測值與設(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)測索力與設(shè)計(jì)值對比。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.