張遠(yuǎn)征

（中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 石家莊）

引言

連續(xù)梁拱組合橋是拱與梁的有機(jī)組合結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，提高結(jié)構(gòu)整體剛度與跨越能力等，具有極大優(yōu)勢。胡曉勇[1]等對廣州南沙蕉門河車行橋施工過程中的拱肋、鋼箱梁和吊桿等關(guān)鍵部位的應(yīng)力、變形等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。鮑麗麗[2]等以京滬高鐵跨錫北運(yùn)河為研究對象，采用自適應(yīng)控制進(jìn)行拱肋、系梁的線形監(jiān)測，同時對施工過程中的應(yīng)力、溫度場、拱腳位移和吊桿的內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測。高陽[3]等以武廣客運(yùn)專線東平水道大橋?yàn)檠芯繉ο?，通過有限元法和現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)，對橋梁施工過程中的拱肋和梁的線形、應(yīng)力、環(huán)境溫度等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。還有其它學(xué)者[4-9]也對不同連續(xù)梁拱組合橋在不同施工階段進(jìn)行了力學(xué)和健康監(jiān)測方面的研究。以一座大跨度連續(xù)梁拱組合橋的施工過程為研究對象，對鋼管拱異位拼裝全過程受力進(jìn)行監(jiān)測，分析其在各個施工階段的力學(xué)特性，并同有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，保障大跨度鋼管拱的施工安全。

1 工程概述及施工方案

蘄河特大橋連續(xù)梁拱組合橋跨布置為(100+196+100)m，全長397.5 m。連續(xù)梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點(diǎn)梁高為5.5 m，中支點(diǎn)梁高12.5 m，梁底按1.6 次拋物線變化。鋼管拱截面為啞鈴型截面，拱內(nèi)填充C55微膨脹混凝土，其計算跨徑為L=196 m，設(shè)計矢高f=39.2 m，矢跨比1/5，拱軸線為拋物線，設(shè)計拱軸線方程為。兩榀拱肋間共設(shè)置10 道桁架型橫撐，吊桿順橋向間距9 m，全橋共設(shè)20 組雙吊桿。

鋼管拱肋分為3 個部分，包括拱腳段、嵌補(bǔ)段和縱移段。其施工主要分為異位拼裝、拼裝支架拆除、整體縱移和鋼管拱就位4 個階段。在異位拼裝施工階段，先將鋼管拱分為15 個階段進(jìn)行預(yù)制，然后運(yùn)至施工現(xiàn)場拼裝成9 個大節(jié)段，在非橋位89#～95#橋墩間箱梁上進(jìn)行拼裝支架的安裝，并利用兩臺160 t 的汽車吊按照從拱腳至拱頂?shù)捻樞驅(qū)ΨQ拼裝至合龍。

其次是拼裝支架拆除施工階段，拆除之前要先安裝4 組12 根Φ15.2 臨時拉索，利用QYC-270 千斤頂一根一根進(jìn)行張拉，再利用汽車吊從兩側(cè)向中間對稱拆除支架。支架拆除期間即進(jìn)行縱移軌道的鋪設(shè)，同時在大里程方向臨時拱腳處進(jìn)行頂推液壓千斤頂?shù)陌惭b，然后就可以利用2 臺50 t 液壓千斤頂對鋼管拱進(jìn)行整體縱移。當(dāng)縱移到指定位置后，對鋼管拱拱腳處進(jìn)行混凝土澆注。最后還要對合龍口進(jìn)行觀測以便進(jìn)行嵌補(bǔ)段進(jìn)行施工。

2 鋼管拱施工監(jiān)測方案

根據(jù)鋼管拱施工階段進(jìn)行監(jiān)測，及時獲取鋼管拱在不同施工階段的數(shù)據(jù)，實(shí)時得到鋼管拱線形與應(yīng)力狀態(tài)，可針對施工過程中超出限制而做出有效措施，以保證鋼管拱的施工滿足設(shè)計要求。同時，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)還可作為有限元模擬有效數(shù)據(jù)支撐，保證有限元模型準(zhǔn)確性。

2.1 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測是檢查鋼管拱在施工階段工作狀態(tài)最有效的手段。鋼管拱應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備采用表面智能數(shù)碼振弦式應(yīng)變計。根據(jù)前期有限元分析的計算結(jié)果，在鋼管拱計算跨徑的1/4、2/4、3/4 截面的上、下邊緣處粘貼應(yīng)變計進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。

2.2 線形監(jiān)測

鋼管拱的施工線形會直接影響成橋線形，需要在鋼管拱大節(jié)段前端截面上緣安裝棱鏡，利用全站儀測量相應(yīng)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)鋼管拱的施工階段，分別在鋼管拱拼裝階段、支架拆除及拉索張拉、整體縱移到位進(jìn)行線性監(jiān)測。

2.3 臨時拉索索力值監(jiān)測

鋼管拱拼裝支架拆除之前會安裝臨時拉索，如果索力太小，鋼管拱在支架拆除后會產(chǎn)生較大的水平推力，鋼管拱也會產(chǎn)生較大的豎向位移，因此，臨時拉索索力對鋼管拱能否順利縱移到位非常關(guān)鍵。目前索力值的現(xiàn)場監(jiān)測主要方法有油壓表測量法、壓力傳感器測量法、振動頻率測量法。本文采用索力動測儀測量臨時拉索的振動頻率獲取索力值，測量時應(yīng)在溫差及風(fēng)速較小的狀態(tài)下進(jìn)行，以保證測量精度。

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)鋼管拱不同施工階段，重點(diǎn)對其進(jìn)行線性、應(yīng)力、索力等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時獲取鋼管拱在不同施工階段的力學(xué)行為，監(jiān)測結(jié)果如下所述。

3.1 線形監(jiān)測結(jié)果

鋼管拱異位拼裝及支架拆除、整體縱移到位3 個施工階段中測點(diǎn)軸線最大偏差5 mm，高程最大偏差4 mm， 根據(jù)《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50293-2013)規(guī)定，鋼管拱肋拼裝以及拆除臨時支架后軸線偏差限值為L/6000=31.833 mm，拱圈高程偏差限值為L/3000=63.667 mm，鋼管拱線形實(shí)測值在規(guī)范要求范圍內(nèi)，滿足要求，見圖1。

圖1 鋼管位移(單位：mm)

3.2 臨時拉索索力監(jiān)測結(jié)果

隨著支架的拆除，臨時拱腳處產(chǎn)生的水平推力不斷增大，導(dǎo)致臨時拉索所需內(nèi)力也是不斷增大的，臨時拉索索力與初拉力設(shè)計值1 150 kN 之間存在一定的差別，主要原因如下：鋼絞線逐根張拉需克服相互之間的摩檫力；拉索并未完全拉直，存在一定垂度，導(dǎo)致計算的比例系數(shù)存在一些偏差；拾振器綁扎出現(xiàn)松動，導(dǎo)致監(jiān)測的振動頻率存在誤差等。

3.3 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

左右兩側(cè)鋼管拱應(yīng)力變化趨勢相近，均為先增大后減小。鋼管拱在縱移過程中應(yīng)力在-7.3～14.2 Mpa之間變化，結(jié)構(gòu)在縱移過程中應(yīng)力變化幅度不大，說明前進(jìn)過程平穩(wěn)。并且左右側(cè)拱肋2/4 截面上緣和下緣均處于受拉狀態(tài)，且應(yīng)力呈反對稱分布，見圖2。

圖2 右側(cè)拱肋1/4 處應(yīng)力曲線(單位：MP)

4 施工過程有限元數(shù)值分析

利用ABAQUS 有限元創(chuàng)建鋼管拱、支架、風(fēng)撐等實(shí)體單元零部件，鋼管拱拼裝節(jié)段間利用綁定約束來模擬連接，拱肋與風(fēng)撐采用綁定約束進(jìn)行連接，與拼裝支架采用耦合進(jìn)行連接。臨時拉索采用受拉桁架單元，與臨時拱座采用約束模擬連接。

通過有限元軟件建模分析，鋼管拱拼裝完成后各個測點(diǎn)位置位移分析值與實(shí)測值對比，為了簡便，此處僅列出鋼管拱合龍后的實(shí)測值和有限元計算數(shù)值的對比數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 鋼管拱合龍后位移對比(單位：mm)

根據(jù)施工現(xiàn)場臨時拉索安裝位置，利用ABAQUS建模計算，得到拆除支架前后臨時索力所需的張拉力值。隨著每組支架拆除，臨時拱腳處水平推力不斷增加，臨時拉索索力值也不斷增加。通過有限元軟件建模分析鋼管拱張拉后各個測點(diǎn)位置位移分析值與實(shí)測值對比，見圖4。由圖4 可知，實(shí)測值與有限元模擬值趨勢一致，說明有限元數(shù)值分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)是可靠的。

圖4 臨時拉索張拉后鋼管拱豎向位移

5 結(jié)論

以蘄河特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢︿摴芄霸谑┕み^程中的應(yīng)力、變形和整體穩(wěn)定性等力學(xué)行為進(jìn)行施工監(jiān)測，并同有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，主要結(jié)論如下。

（1） 本文施工監(jiān)測方案合理，采用的監(jiān)測方法有效，測點(diǎn)布置和監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠滿足鋼管拱的施工精度要求；

（2） 鋼管拱在各施工階段的軸線和高程均滿足規(guī)范規(guī)定的要求，說明其整個施工過程規(guī)范合理，滿足連續(xù)梁拱組合橋的線形要求；

（3） 鋼管拱在整體縱移施工階段，不同測點(diǎn)的應(yīng)力、臨時拉索索力等力學(xué)參數(shù)同有限元數(shù)值分析接近，且數(shù)值變化不大，說明鋼管拱縱移過程運(yùn)行平穩(wěn)，滿足施工規(guī)范的要求。