李潔勇

(中鐵二十局集團巴基斯坦國際有限責任公司 陜西西安 710016）

1 引言

浮拖法是由浮運法和縱向拖拉法結合產(chǎn)生的一種新的施工方法，這種施工方法最早起源于石油工業(yè)[1]。隨著社會發(fā)展的需要，浮拖法被運用于橋梁工程，由于其不需要長時間占用航道，且施工時必要的封航時間較短，因此浮拖法施工逐漸成為內(nèi)河水運工程市政橋梁架設的首選方案之一[2-10]。所謂浮拖法，即是將工廠制造的主橋各桿件(節(jié)段）運至施工現(xiàn)場，在橋址區(qū)空曠場地處搭設滑移支架，布設滑道，然后在其上拼裝主橋，采用浮船作為前支點，利用對岸設置的連續(xù)穿心式千斤頂進行牽引，通過滑移支點在軌道上的滑動實現(xiàn)前移，最后浮拖至橋位落梁成橋[11-12]。

本項目浮拖法的整個施工過程包括:單側拱肋拼裝、浮拖施工、兩側框架結構就位、橋面板鋪裝、索力二次張拉等。施工過程中的各構件受力體系與正常運營期受力特性不同，現(xiàn)場施工過程中需經(jīng)過多次復雜的受力轉換過程，橋梁的標高及應力控制較為復雜。

通過理論計算分析，可得到各施工階段的理論值(節(jié)點的位移，鋼構件的應力、支座反力、鋼軌摩阻力、各階段的穩(wěn)定系數(shù)等數(shù)據(jù)）。但由于施工中存在著諸多不確定因素，同時仿真分析時各種計算假定都可能導致橋梁在施工過程中的線形標高、內(nèi)力、穩(wěn)定性與理論值不相吻合，并最終導致橋梁在施工過程中局部內(nèi)力過大或失穩(wěn)破壞。因此，為確保橋梁施工過程安全，成橋線形與內(nèi)力狀態(tài)符合設計要求，在施工中必須實施有效的施工監(jiān)控。

本文以跨徑100 m的斜靠式系桿拱橋為對象，通過施工監(jiān)控對其主要施工過程進行控制，以期各施工階段實際狀態(tài)(受力和線形）盡可能逼近理想狀態(tài)，確保成橋后的幾何線形和內(nèi)力狀態(tài)符合設計要求。

2 工程概況

蘇南運河吳江段Ⅳ改Ⅲ航道整治工程新建云梨橋，位于蘇州市吳江區(qū)京杭運河上。云梨橋主橋上部結構為斜靠式系桿拱，跨徑為100 m，除橋面板為混凝土預制外，橋梁上部結構整體框架為全鋼結構，橋梁縱斷面中心線為直線。拱肋分為主拱肋及斜拱肋，均為矩形鋼箱結構，拱軸線采用二次拋物線形式，主拱與斜拱在豎直平面內(nèi)夾角為19°。吊索分為主拱肋吊索及斜拱肋吊索，吊索縱橋向間距為3 m，每道拱肋有29根吊索，張拉端均為系桿端。主系桿采用體外預應力束錨固的方式，為主橋的主要承重構件，副系桿通過橫梁、縱梁等鋼構件與主系桿連成整體，并與預制橋面板共同組成橋面系，橋面系設有機動車道、非機動車道、人行道及觀景平臺。主橋布置形式如圖1所示。

圖1 云梨橋橋型布置（單位：cm）

3 斜靠式系桿拱橋浮拖法施工監(jiān)控

3.1 關鍵施工工序

本橋浮拖法施工主要施工步驟分為四大階段，即:單側拱肋拼裝、浮拖施工、兩側框架結構就位及橋面板鋪裝、索力二次張拉。

根據(jù)本橋特點，參考相關設計資料及規(guī)范，施工監(jiān)控確定的基本指標見表1。

表1 施工監(jiān)控指標

3.2 單側拱肋拼裝

施工流程:滑移支架及滑移軌道安裝→系桿、橋面系縱橫梁及拱腳段鋼結構安裝→拱肋臨時支架安裝→斜拱第一節(jié)段鋼箱拱肋安裝→順次安裝主拱第一節(jié)段、斜拱第二節(jié)段和主拱第二節(jié)段→完成主、斜拱合龍→穿索初張拉準備浮拖。

3.2.1 計算模型

本橋數(shù)值模擬采用MIDAScivil進行計算，全橋結構采用空間桿系模型進行模擬，已建好的單側拱肋有限元模型如圖2所示。

圖2 計算模型

3.2.2 計算分析結果

按照制定的施工順序，詳細模擬施工過程。根據(jù)計算結果分析，在安裝第三段拱肋時，斜拱肋拱頂豎向及橫向位移相對較大，計算結果如圖3所示，斜拱肋拱頂豎向位移為7.3 mm(向下），橫向位移為8 mm(向主拱肋方向），這可能是因為斜拱肋剛度相對于主拱肋剛度較小的緣故。

在吊索進行初次張拉后，斜拱肋最大豎向位移為16.8 mm(向下），最大應力出現(xiàn)在拱肋臨時支撐下部，數(shù)值為84.5 MPa。這說明索力對拱肋變形及拱肋支架受力情況影響較大。

圖3 安裝第三段拱肋時的變形

3.2.3 監(jiān)控內(nèi)容

根據(jù)以上計算分析結果，綜合考慮各構件受力及變形情況，本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容定為系桿和拱肋標高、拱肋支架應力以及初張拉索力。

(1）系桿和拱肋標高

系桿、拱肋在支架上安裝時，應對其安裝標高進行控制，控制方式主要通過安裝標高指令、現(xiàn)場標高復測等。系桿與拱肋測點布置在拱腳、系桿與拱肋的四分點處，具體布置見圖4a和圖4b。

圖4 測點布置

(2）拱肋支架應力

根據(jù)計算結果選取最不利的拱肋支架進行應力檢測，應力測點布置如圖4c所示。

(3）初張拉索力

由于單側結構橫向為非對稱結構，吊索初張拉力會產(chǎn)生較大的水平分力，且系桿橫向剛度相對較小，易產(chǎn)生較大的橫向變形，為了后期橫梁能順利拼裝，經(jīng)過與設計單位及監(jiān)理單位溝通，提出了一種較為巧妙的方式，即在進行系桿拼裝時，系桿橫向坐標進行預偏。系桿橫向坐標預偏量與吊索初始張力密切相關，因此本階段索力初始值控制應為重中之重。

3.3 浮拖施工

施工流程:安裝牽引系統(tǒng)→牽引半幅系桿拱至懸臂11.3 m→解除前方支點小車→牽引半幅系桿拱滑移至懸臂23.2 m→駁船就位，收緊岸錨→船艙排水、頂升系桿拱至前方小車不再受力→固結梁底托架與駁船支架→牽引、浮拖系桿拱至距離對岸主墩支座1.2 m→駁船排水頂升系桿拱解除后方支點小車約束→牽引、浮拖系桿拱至支座正上方→落梁、定位。

3.3.1 計算分析結果

本施工階段通過改變系桿的邊界條件來模擬單側結構浮拖過程。

(1）變形

根據(jù)計算結果分析，浮拖施工過程中，單側拱肋結構移動11.3 m后，端部豎向變形為12.2 mm(向下）；移動23.2 m后，端部豎向變形為28.9 mm(向下）。

拱肋移至到目標位置拆除支架后，跨中豎向最大變形為32.4 mm(向下），水平位移為46.6 mm(向主系桿方向），如圖5所示。計算結果表明，浮拖過程中結構的變形滿足相關要求。

圖5 拆除全部支架后的變形

(2）應力

單側拱肋結構移動11.3 m及23.2 m后，最大應力均出現(xiàn)在支架處，其值為93.5 MPa；拱肋移至目標位置拆除支架后，最大應力出現(xiàn)在主幅系桿間小縱梁處，其值為110.5 MPa，結合表1中的指標可知，支架應力滿足相關要求。

3.3.2 監(jiān)控內(nèi)容

本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容為:浮拖前后及支架拆除前后系桿、拱肋相對變形或位移值；拱肋支架應力；吊索張拉力。

(1）浮拖過程中位移或變形監(jiān)測

浮拖前或浮拖過程中，可能由于上滑道兩側軌道或駁船支架兩側支點存在高差或兩側變形不一致使得主桁架發(fā)生扭轉。測量方法采用水準儀觀測鋼尺豎向位移變化，當發(fā)現(xiàn)兩側高差超限或變化過快時立即報警，停止一切動作，待查明原因或糾偏后才可繼續(xù)施工。

由于多種因素可能使結構左右偏位，施工中應實時觀測，及時發(fā)現(xiàn)和糾偏，確保結構的軸線位置正確。中線偏位測點布置在桁架中線，測量方法采用水準儀觀測鋼尺水平位移的變化。

(2）應力測點布置

根據(jù)云梨橋的受力特點，擬在拱肋關鍵截面布設測點，主要截面有拱肋1/2、1/4、3/4截面和拱腳截面等，每個桿件在其兩側各布設2個應力應變傳感器。系桿關鍵截面布設測點，主要截面有拱腳截面、邊跨1/2截面、主跨1/4截面、主跨1/2截面等。每個系桿的兩側各布設2個應力應變傳感器，每個截面共計4個。

(3）索力控制

由于吊索初始索力張拉時，邊界條件較為復雜，待支架拆除后實際索力與理論值有一定偏差，而實際索力與系桿橫向變形緊密相關，因此該階段索力控制非常必要。將索力實測值與系桿橫向變形值進行對比分析，并進行必要的調(diào)索工作，使索力與線形均滿足相關要求。

3.4 兩側框架結構就位及橋面板鋪裝

兩側框架就位應從兩側向中間順序拼裝橫梁與縱梁，就位完成后，應進行索力測試，系桿橫向、豎向坐標測試，通過索力調(diào)整，使兩側索力、系桿拱肋標高趨于一致，為后續(xù)結構拼裝打下良好的基礎。若兩側索力或系桿標高相差較大，輕則導致后續(xù)結構拼裝容易產(chǎn)生較大的次內(nèi)力、重則導致后續(xù)結構無法拼裝。在以上工作均完成以后，需要從兩側向跨中進行橋面鋪裝工作。

3.4.1 計算分析結果

(1）變形

橋面板拼裝完畢后，主系桿跨中變形值為30.7 mm，橫梁中部相對于端部變形為13.7 mm，主拱肋變形18.0 mm，斜拱肋變形12.2 mm；梁側拱肋橫向變形為18.1 mm，均滿足相關要求。

(2）應力

如圖6所示，中間橫、縱梁拼裝完畢后，最大應力出現(xiàn)在主幅系桿間小縱梁處，其值為129.1 MPa，結合表1可知，應力分布滿足相關要求。

圖6 橋面板拼裝完畢后的應力云圖

3.4.2 監(jiān)控內(nèi)容

本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容為:系桿豎向變形、拱肋橫向位移，測點布置可參考3.3.2節(jié)的布置方式。

3.5 索力二次張拉

之前的工況橋梁結構基本為被動受力，此節(jié)描述的索力張拉則為結構主動受力，結構受力特性可通過調(diào)整索力得到優(yōu)化，因此本施工階段尤為重要。

本橋結構剛度相對較小，且吊索相對較密，逐根索張拉吊索的過程中，索與索間張拉力相互影響較大，因此索力張拉順序以及張拉力的確定非常重要。

綜合考慮橋梁特性及張拉過程中結構的合理受力情況，擬定的吊索張拉順序見表2，吊索編號從左往右依次增大。

表2 索力張拉順序

3.5.1 計算分析結果

監(jiān)控具體內(nèi)容均依據(jù)每個施工階段詳細的計算分析結果來進行設定。根據(jù)計算結果，吊索二次張拉完畢后最大應力出現(xiàn)在主幅系桿間小縱梁處，其值為128.2 MPa，如圖7所示，應力滿足相關要求。

圖7 吊索二次張拉完畢后的應力云圖

3.5.2 監(jiān)控內(nèi)容

本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容為:系桿豎向變形、拱肋橫向位移以及索力，測點布置可參考3.3.2節(jié)來進行布設。

4 監(jiān)控結果分析

4.1 位移監(jiān)控結果分析

系桿頂面監(jiān)測標高部分偏差較大值(含最大值）列于表3。由表中數(shù)據(jù)可知，各截面實測標高與目標標高偏差均小于規(guī)范要求的20 mm，滿足《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》的高程控制要求。

4.2 索力監(jiān)控結果分析

云梨橋主橋成橋后分別測量了所有吊索索力，表4僅列出了偏差較大的部分吊索測試結果。由表4可知，吊索成橋索力理論值與實測值偏差較小，最大誤差為9.5%，出現(xiàn)在左側11號主吊索處，大多數(shù)偏差為8%以內(nèi)，以上結果表明索力控制較為合理。

表3 系桿頂面監(jiān)測標高部分數(shù)據(jù)

表4 成橋后主吊索索力部分實測數(shù)據(jù)_

4.3 應力控制成果

云梨橋主橋各斷面應力實測值均在規(guī)范允許值范圍內(nèi)，實測應力值與理論應力值較為接近，且走勢相同，未出現(xiàn)拉應力，各控制截面應力狀態(tài)良好。

綜上所述，本文采用的監(jiān)控思路及監(jiān)控理論較好地服務于云梨橋主橋浮拖施工中，監(jiān)控實施較為成功，監(jiān)控結果較為理想。

5 結論

本文研究了斜靠式系桿拱橋浮拖法施工監(jiān)控技術，可得出如下結論:

(1）本文提供的監(jiān)控方法及思路可確保云梨橋主橋安全施工，施工全過程均得到了有效控制，該方法可為日后采用同類施工方法架設的長大構件提供一定的參考及經(jīng)驗積累。

(2）云梨橋主橋成橋后系桿線形理想，偏差滿足相關控制要求，主吊索索力及成橋內(nèi)力與設計狀態(tài)偏差較小。

(3）采用系桿橫向坐標預偏的方法可有效減少單側拱肋結構的不對稱性對后期橫梁順利拼裝的影響，該方法簡單實用且十分巧妙，值得借鑒。