胡 彬 徐郁峰

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

鋼管混凝土拱橋是一種鋼—混凝土組合橋梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在薄壁鋼管內(nèi)填充混凝土，一方面可以借助內(nèi)部填充的混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性與剛度，另一方面又利用了鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使其具有更高的抗壓強(qiáng)度[1,2]。由于鋼管混凝土拱橋的造型美觀、受力性能較為優(yōu)越、造價(jià)低廉，在橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

在鋼管混凝土拱橋施工過程中，結(jié)構(gòu)的剛度和其內(nèi)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化[3]，所以有必要針對(duì)具體的橋梁施工過程，進(jìn)行有限元模擬仿真分析、應(yīng)力監(jiān)控、變形監(jiān)控。筆者以某鋼管混凝土拱橋的施工監(jiān)控實(shí)例，對(duì)該橋施工監(jiān)控中的有關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行介紹和研究。

1 工程背景

該橋主橋?yàn)榭缍?36 m下承式倒三角鋼管拱橋，主梁采用弧形底混凝土箱梁，主拱圈采用鋼結(jié)構(gòu)，主橋?yàn)檎贾?，?5 m。拱肋采用混凝土鋼管拱結(jié)構(gòu)，拱肋主材材質(zhì)為Q345qD鋼材。主拱肋鋼管厚度26 mm，直徑1.8 m；副拱肋鋼管厚度22 mm，直徑1.5 m。主拱肋內(nèi)設(shè)19根吊桿，副拱肋內(nèi)設(shè)13根吊桿，拱肋灌C50的微膨脹混凝土。主橋立面圖如圖1所示。

根據(jù)橋位自然條件、運(yùn)輸條件、吊裝能力、架設(shè)工期等因素，主橋采用先梁后拱的施工方法，滿堂支架現(xiàn)澆主跨混凝土箱梁，于箱梁上設(shè)臨時(shí)支架，分段吊裝鋼拱肋，并現(xiàn)場(chǎng)焊接，完成鋼管拱拼接后進(jìn)行核心混凝土灌注。

2 施工監(jiān)控的主要工作內(nèi)容

2.1 有限元模型計(jì)算

根據(jù)該大橋施工監(jiān)控工作的思路，筆者團(tuán)隊(duì)有針對(duì)性地開展相關(guān)的計(jì)算工作?？紤]到施工監(jiān)控的實(shí)際需要和該大橋施工監(jiān)控的復(fù)雜性，對(duì)該大橋進(jìn)行了精細(xì)模型計(jì)算分析。采用橋梁結(jié)構(gòu)通用分析軟件Midas Civil建立的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2.2 施工控制及調(diào)整

根據(jù)施工過程有限元計(jì)算結(jié)果，可以為施工提供一些重要的施工控制、調(diào)整數(shù)據(jù)。在有關(guān)施工工況開展前，筆者團(tuán)隊(duì)提供了主梁預(yù)拱度控制數(shù)據(jù)、主梁縱向預(yù)偏數(shù)據(jù)、拱肋預(yù)拱度控制數(shù)據(jù)、吊桿張拉方案和控制數(shù)據(jù)以及吊桿制造長(zhǎng)度數(shù)據(jù)等，為大橋施工的順利開展提供可靠依據(jù)。

2.3 施工過程監(jiān)測(cè)

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，筆者團(tuán)隊(duì)有針對(duì)性的選取一些關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行施工過程的持續(xù)監(jiān)測(cè)，這些參數(shù)包括：主梁及拱肋應(yīng)力、主梁及拱肋變形、吊桿索力。在施工的各關(guān)鍵工況完成后，對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，并與有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)的受力變化進(jìn)行有效控制。

3 有限元計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 主梁應(yīng)力

在主梁預(yù)應(yīng)力張拉、拱肋安裝、拱肋第一段混凝土頂升、拱肋第二段混凝土頂升、吊桿張拉完成、拆除主梁支架這幾個(gè)重要工況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集分析，與有限元模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如下(跨中截面)。

從圖3，圖4可以看出，主梁實(shí)測(cè)應(yīng)力在主梁支架拆除前與仿真模型計(jì)算值吻合度極高，在主梁支架拆除后，與理論計(jì)算值存在一定偏差。

3.2 拱肋應(yīng)力

在該橋中，鋼管拱作為重要受力構(gòu)件，拱肋應(yīng)力也是另一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的力學(xué)指標(biāo)。根據(jù)有限元模型分析計(jì)算，拱肋應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在拱腳截面。在各施工工況下，拱腳截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力與模型理論值對(duì)比如下。

從圖5中可以看出，拱肋應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論值在施工全過程中均有較高的吻合度，但總體應(yīng)力水平較高，仍需在后續(xù)工況及成橋后密切關(guān)注。

3.3 吊桿索力

為確保施工過程中鋼管混凝土拱的受力均勻，吊桿張拉采用循環(huán)張拉的方式，單根吊桿會(huì)經(jīng)過多次張拉完成施工。選取多根有代表性的主、副吊桿，對(duì)其張拉完成后、主梁落架后的吊桿索力實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 吊桿索力測(cè)試結(jié)果 kN

從吊桿索力結(jié)果可以看出，張拉完成后的索力與仿真計(jì)算理論值有較高的吻合度，說明張拉過程中吊桿索力的相互影響得到了準(zhǔn)確的計(jì)算；主梁落架后，索力實(shí)測(cè)值普遍大于仿真計(jì)算理論值，原因可能為主梁的實(shí)際自重大于仿真計(jì)算中所采用的數(shù)值，導(dǎo)致吊桿被動(dòng)受力的狀況下索力偏大。

4 結(jié)語

筆者團(tuán)隊(duì)所完成的該橋施工監(jiān)控仿真計(jì)算分析結(jié)果，與監(jiān)控過程中采集的有關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，有較高的吻合度，監(jiān)控仿真計(jì)算精準(zhǔn)，可以有效對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)；在施工監(jiān)控過程中，根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，提出需要對(duì)吊桿進(jìn)行多次循環(huán)張拉，以保證施工過程中的結(jié)構(gòu)受力安全，該問題及施工方法對(duì)同類橋型施工具有參考價(jià)值。

[1] 辛江紅,石明星.鋼管混凝土系桿拱橋施工監(jiān)控分析[J].甘肅科技,2009,25(23):138-140.

[2] 侯宏偉,徐 霞,凌 捷,等.鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控技術(shù)[J].中國(guó)水運(yùn)月刊,2014,14(12):366-368.

[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),2007,27(4):71-75.