黃國凱

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007)

1 概述

自20世紀(jì)90年代起，鋼管混凝土拱橋憑借其經(jīng)濟性以及施工方面的優(yōu)勢，在我國已建成逾200余座，其中，中、下承式占了絕大多數(shù)[1]，而多跨連續(xù)下承式拱橋修建得不多。

鋼管混凝土拱橋，在施工過程中涉及多次體系轉(zhuǎn)換，造成各施工階段內(nèi)力的改變。同時，由于各種施工誤差的影響，也容易導(dǎo)致鋼管混凝土拱橋的內(nèi)力和線形與設(shè)計理想狀態(tài)有較大的偏差。因此，特殊橋梁施工過程中的監(jiān)測和控制(即施工監(jiān)控)成為目前許多大橋建造過程中一個必不可少的手段[2]。近年來，許多鋼管混凝土拱橋在施工過程中均實施了施工監(jiān)控[3-10]，由于建造數(shù)量的緣故，對多跨連續(xù)下承式鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控問題的研究較少。

針對上述問題，本文以一座三跨下承式啞鈴形鋼管混凝土剛架系桿拱橋為工程背景，以通用有限元軟件ANSYS為手段，以拱肋應(yīng)力、線形、系桿力等參數(shù)為控制目標(biāo)，對拱橋的施工過程進行模擬分析和監(jiān)控，研究成果可為今后類似橋梁的設(shè)計與施工提供借鑒。

2 工程概況

工程背景為三跨下承式啞鈴形鋼管混凝土剛架系桿拱橋，跨徑分布為51m+80m+51m，橋面寬度為41.1m，雙幅間距1m。設(shè)計汽車荷載為城-A級，設(shè)計時速為60km/h。橋梁總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置 (單位：cm)

拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面，中孔和邊孔拱肋鋼管分別采用Φ900×14mm和Φ750×12mm規(guī)格，內(nèi)灌C50混凝土。啞鈴型上下鋼管之間的腹腔，采用加勁板連接，除靠拱腳部分充填混凝土外，其余部位均無填充混凝土。采用一字形橫撐將兩根拱肋連接，中孔設(shè)置3根橫撐，邊孔設(shè)置2根橫撐。

系桿采用無粘結(jié)鋼鉸線，中拱每根拱肋下系桿采用6束15Фj15.2mm無粘結(jié)高強低松弛鋼絞線；邊拱每根拱肋下系桿采用4束12Фj15.2mm無粘結(jié)高強低松弛鋼絞線。

吊桿間距為5.0m，采用73Ф7高強低松弛平行鍍鋅鋼絲。吊桿上端固定于拱肋上鋼管，下端錨于橫梁，通過張拉橫梁下端實現(xiàn)吊桿張拉。為了提高橋道系的強健性，在系桿處設(shè)置混凝土加勁縱梁。

3 施工控制分析

3.1 有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立了全橋的空間桿系有限元模型，如圖2所示，全橋節(jié)點共計2362個，單元5324個。由于施工過程中必須保證全橋處于彈性工作階段，該有限元模型不考慮材料的非線性，鋼材和混凝土的材性根據(jù)規(guī)范設(shè)計值進行設(shè)置。

在有限元模型中，采用了空間梁單元和索單元兩種單元形式。拱肋、橫撐、加勁梁、橫梁及下部結(jié)構(gòu)采用空間梁單元模擬，吊桿和系桿采用索單元模擬，鋼管混凝土拱肋采用雙單元法[11]模擬。通過有效寬度的計算，將橋面板剛度分給縱梁和橫梁，不考慮橋面鋪裝對剛度的貢獻；通過集中質(zhì)量法，考慮橋面板和橋面鋪裝的質(zhì)量。

采用梁格法模擬整體式橋墩，將分散在板式每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，橫向剛度集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。樁基礎(chǔ)與承臺單元固結(jié)，在拱座處采用剛臂與拱肋單元連接。樁基采用的是考慮水平荷載的彈性地基，在水平方向上施加土彈簧，用m法進行計算[2]。

圖2 空間有限元模型

3.2 計算階段

根據(jù)該橋的施工工序特點，在計算時選擇了22個施工階段，采用Si(i=1、2……22)表示，該橋右幅主要施工階段示于表1。

表1 施工階段

3.3 理論計算結(jié)果

利用建立的模型，求出在結(jié)構(gòu)自重、水平系桿張拉力、二期恒載、1/2汽車活載以及收縮徐變作用下拱肋豎向位移、各墩頂水平位移和各承臺的沉降位移，作為各工況下位移控制的依據(jù)。

工況S3(拱腳固結(jié))、S10(管內(nèi)混凝土澆筑完畢)、S18(橋面鋪裝澆筑完畢)、S21(1/2活載)的位移結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯泄白畲笪灰?9mm，邊拱最大位移13mm，均與設(shè)計預(yù)拱度(中拱預(yù)拱度28mm，邊拱預(yù)拱度11mm)相接近，最大差值均在2mm以內(nèi)。

圖3 部分施工階段的拱肋計算位移圖

4 施工監(jiān)控與分析

4.1 變形監(jiān)控

變形監(jiān)控包括橋墩位移和拱肋變形兩個部分，最主要是拱肋的變形監(jiān)控。圖4為拱肋變形觀測點布置圖。由圖4可知，拱肋變形觀測點布置在部分吊點和拱頂處，全橋共布置68個觀測點。

圖4 拱肋變形觀測點布置

圖5為各施工階段中拱拱頂和邊拱拱頂實際位移結(jié)果與理論結(jié)果對比。可以看出，有限元計算拱肋位移的變化趨勢與實測結(jié)果吻合良好。除個別工況外，位移計算值與實測值的最大偏差率均小于11.4%。因此，鋼管混凝土拱橋拱肋線形符合要求。

4.2 拱肋應(yīng)力監(jiān)控

鋼管混凝土拱橋的應(yīng)力監(jiān)測包括橋墩應(yīng)力和鋼管混凝土拱肋應(yīng)力，最為主要的是拱肋應(yīng)力監(jiān)控。拱肋應(yīng)力測點布置在拱頂和拱腳截面處，每個截面布置2～4個，共64個測點，如圖6所示。采用振弦式應(yīng)變儀進行拱肋應(yīng)力監(jiān)測。

(a)中拱拱頂

(b)邊拱拱頂圖5 拱肋實際位移結(jié)果與理論計算結(jié)果對比

圖6 上游拱肋應(yīng)力測點布置

圖7為在不同施工階段的上游中拱拱頂和邊拱拱頂?shù)膽?yīng)力實測值與理論計算結(jié)果對比。由圖7可知，各監(jiān)測截面的應(yīng)力數(shù)值較合理，拱肋應(yīng)力隨系桿力的張拉發(fā)生了較大變化。全橋完成后鋼管應(yīng)力已全部為壓應(yīng)力。實測應(yīng)力的變化規(guī)律與有限元計算結(jié)果一致，最大偏差率均小于18.9%。由于鋼管混凝土拱肋存在焊接、初應(yīng)力以及施工因素等問題的影響，使有些截面的應(yīng)力實測值比理論值大，但是鋼管壓應(yīng)力的數(shù)值均未超過Q345鋼(16Mn鋼)的規(guī)定值。

(a)中拱拱頂

(b)邊拱拱腳圖7 拱肋應(yīng)力實測結(jié)果與理論計算結(jié)果對比

4.3 系桿力監(jiān)控

系桿力是施工監(jiān)控實施中監(jiān)測與調(diào)整的重要參數(shù)之一。系桿力的測試，可以采用粘貼應(yīng)變片法和振動頻率法[12]。本文采取振動頻率法測量系桿力。通過加速度傳感器，測得各根系桿的動力響應(yīng)，然后通過頻域法(如FFT法)對測得的加速度響應(yīng)進行頻譜分析，獲得系桿卓越頻率，進而通過式(1)，將卓越頻率或頻率差換算為系桿力[13]。

(1)

式中，T—系桿張力；

m—系桿線密度；

L—系桿計算長度；

f—系桿第n階頻率；

n—頻率的階數(shù)；

f—各階頻率差的平均值。

中拱系桿力的監(jiān)測結(jié)果如表2所示。由表2可知，因系桿在拱腳處有兩次轉(zhuǎn)向，而使得管道對預(yù)應(yīng)力的損失較大，系桿力在1270kN～1285kN之間，與設(shè)計值的偏差在5.46%～6.57%之間，因此，系桿的張拉力與實際值差別不大。

表2 中拱系桿力監(jiān)測結(jié)果

4.4 氣溫及溫度場的監(jiān)控

溫度對于鋼管混凝土拱橋變形和應(yīng)力有重要影響[2,14]，在拱橋施工中溫度變化，主要由大氣和混凝土水化熱[15]引起。對鋼管混凝土拱肋的鋼管、管內(nèi)混凝土進行溫度監(jiān)測。溫度測點布置同應(yīng)力測點，并對中拱拱腳和拱頂截面進行測點加密，如圖8所示。

圖8 溫度測點布置

右幅橋上游中拱下弦管管內(nèi)混凝土于5月13日22點14分澆筑完畢，36h內(nèi)對混凝土在硬化過程中水化熱引起的溫度變化進行連續(xù)觀測，觀測時間間隔為1～2h，拱腳截面溫度監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。拱腳和拱頂截面溫度的上升和下降基本同步，均在管內(nèi)混凝土澆筑后約18h開始升溫，這表示管內(nèi)混凝土水化熱開始；26h左右達到最高溫度55°C，管中心與外管壁最大溫差達22.2°C；隨后，溫度開始下降，管內(nèi)混凝土水化熱結(jié)束。監(jiān)測結(jié)果表明，管內(nèi)混凝土水化熱開始和經(jīng)歷的時間各不相同，說明管內(nèi)混凝土的穩(wěn)定性不是很好，但相差不大。

(a)管內(nèi)溫度傳感器

(b)管外溫度傳感器

采用移動式自動氣象站對大橋周圍的大氣溫度場進行監(jiān)測，獲得鋼管混凝土拱橋拱肋處太陽輻射、環(huán)境溫度、風(fēng)速風(fēng)向等的變化。從結(jié)果可以看出，監(jiān)測期間環(huán)境溫度在白天最高達34.6°C，夜間在凌晨降到最低溫度26.9°C；白天的環(huán)境濕度低于夜間，輻射值在中午最強，夜間輻射值為0；監(jiān)測期間風(fēng)向不定，風(fēng)速較小。監(jiān)測期間中拱腳截面測點的最高溫度達45.6°C，與該時刻的環(huán)境溫度溫差為12.6°C，為日照溫度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力提供實測數(shù)據(jù)[16]。

5 結(jié)論

某三跨下承式啞鈴形鋼管混凝土剛架系桿拱橋的施工監(jiān)控結(jié)果與理論分析結(jié)果表明，拱肋鋼管應(yīng)力在全橋完成后已全部為壓應(yīng)力，各監(jiān)測截面的應(yīng)力數(shù)值較合理；拱肋變形的監(jiān)測結(jié)果與理論值吻合較好，系桿力監(jiān)測值基本滿足要求。

由此可見，必要的施工監(jiān)控使橋梁在成橋后的結(jié)構(gòu)受力和線形滿足要求，各主要構(gòu)件在施工過程中受力性能達到設(shè)計要求，監(jiān)控工作達到了預(yù)期的目的。