摘要：文章以某中承式鋼管混凝土提籃拱橋工程為例，介紹了該橋纜索系統(tǒng)布置方案與鋼管拱肋施工關(guān)鍵技術(shù)，并采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”扣索一次張拉索力優(yōu)化算法對(duì)拱肋安裝進(jìn)行控制計(jì)算分析，實(shí)踐結(jié)果表明該方法能實(shí)現(xiàn)大橋高質(zhì)量控制施工。

關(guān)鍵詞：提籃拱橋；纜索系統(tǒng)；拱肋；扣索一次張拉；施工控制

0引言

國(guó)內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)推動(dòng)了鋼管混凝土拱橋的快速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)在建和已建的鋼管混凝土拱橋多達(dá)400余座［1］。提籃式拱橋因其造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到設(shè)計(jì)師和廣大民眾的青睞。相較于平行拱，提籃式拱橋改變了拱形結(jié)構(gòu)的受力特征，極大地提高了面外穩(wěn)定性，同時(shí)也對(duì)提籃拱橋的建設(shè)提出了更高的要求。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)［2-5］的研究大多針對(duì)提籃拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及受力方面，現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及技術(shù)方面參考資料較少。鑒于此，本文依托某主跨為360 m的鋼管混凝土拱橋，詳細(xì)介紹了大橋建設(shè)過程中涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)，以供同類型橋梁施工借鑒。

1 工程概況

某橋采用計(jì)算跨徑為340 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，矢跨比f/l=1/4.533，拱軸系數(shù)m=1.55，拱軸線采用懸鏈線，拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，共兩榀，兩拱肋在豎直面內(nèi)沿橋軸線內(nèi)傾10°，形成提籃式。大橋單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱腳截面徑向高12 m，拱頂截面徑向高7 m，主拱肋通過上、下弦兩根1 200 mm的主弦管（t=24～32 mm）連接兩根720 mm的綴管和兩根610 mm豎向腹桿構(gòu)成矩形截面。管內(nèi)混凝土采用C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，主弦管鋼材采用Q345qC鋼材。

2 纜索系統(tǒng)布置

纜索吊裝系統(tǒng)采用“吊扣合一”裝配式重型鋼管塔架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)吊重為160 t，跨徑布置為342 m+520.5 m+350.2 m。塔架豎向主承重管采用610 mm×14 mm鋼管，立面斜桿采用219 mm×6 mm鋼管，水平橫桿和斜桿采用168 mm×5 mm鋼管，橫聯(lián)采用168 mm×6.5 mm水平鋼管和斜撐鋼管。塔架縱向、豎向設(shè)計(jì)模數(shù)為4 m，橫向?yàn)?.9 m，標(biāo)準(zhǔn)桿件為8 m。

采用兩套獨(dú)立主索道，其工作可根據(jù)吊裝對(duì)象不同靈活組合調(diào)整，適用于全橋不同階段的安裝施工：將兩套主索合起來成為一組，并移動(dòng)到塔架上游或下游可完成拱肋節(jié)段吊裝；移動(dòng)到塔架中間處可完成橫撐吊裝。

3 鋼管拱肋施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼管拱肋預(yù)拼裝技術(shù)

大橋拱肋采用筒節(jié)制造、單元件制造、弦管片裝分段制造、半拱臥式耦合匹配制作工藝方案，拱肋節(jié)段之間采用內(nèi)置法蘭盤連接進(jìn)行預(yù)拼裝。所有拱肋零件和單元件均在廠房?jī)?nèi)制造，盡量減少日照和溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拱肋加工線形按1∶1放樣，定位胎架，并定期檢查和復(fù)測(cè)。拱肋制造焊接時(shí)通過優(yōu)化焊接順序，加放焊接收縮補(bǔ)償量、余量、反變形的方法對(duì)焊接變形進(jìn)行控制。預(yù)拼裝施工測(cè)量過程中盡量減少溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，避開高溫時(shí)間段，必要時(shí)根據(jù)熱膨脹系數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。大橋拱肋零件下料精度均控制在＜1 mm，拱肋節(jié)段預(yù)拼裝精度控制在＜2 mm。

3.2 鋼管拱肋運(yùn)輸技術(shù)

大橋鋼構(gòu)廠與拱肋吊裝場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，且和引橋范圍結(jié)構(gòu)物沖突，施工場(chǎng)地條件受限。為解決拱肋預(yù)制鋼構(gòu)件運(yùn)輸和安裝問題，現(xiàn)場(chǎng)采用一種雙層平車縱橫向運(yùn)輸軌道系統(tǒng)，橫向運(yùn)輸軌道中心間距為16.3 m，縱向運(yùn)輸軌道中心間距為9.5 m，橫向軌道比縱向軌道高1.3 m。利用鋼構(gòu)廠龍門吊起吊預(yù)制節(jié)段并平穩(wěn)落至橫移軌道①平車上，手拉葫蘆和鋼絲繩固定，啟動(dòng)平車，整體橫向運(yùn)輸至橫移軌道①和縱向運(yùn)輸軌道②的交界處，斷開連接軌道；縱向平車將連接軌道、橫向平車以及拱肋節(jié)段整體沿軌道②縱向運(yùn)輸，運(yùn)輸至橫移軌道③和軌道②交界處后連接軌道，橫向平車?yán)^續(xù)將拱肋節(jié)段橫向運(yùn)輸至起吊位置準(zhǔn)備起吊。相對(duì)于傳統(tǒng)的運(yùn)輸方法，在運(yùn)輸過程不需要對(duì)拱肋預(yù)制構(gòu)件再用炮車或大型汽車吊等設(shè)備進(jìn)行多次轉(zhuǎn)移或吊運(yùn)，僅需在縱橫向交接位置斷開和連接軌道，即可實(shí)現(xiàn)“U型”“L型”“Z型”等復(fù)雜地形和施工條件下的不規(guī)則路徑運(yùn)輸，且運(yùn)輸過程平穩(wěn)安全。拱肋運(yùn)輸軌道布置如下頁圖1所示。

3.3 鋼管拱肋節(jié)段安裝關(guān)鍵技術(shù)

全橋拱肋安裝遵循“上、下游交替對(duì)稱”的原則，兩岸基本均衡，及時(shí)安裝橫撐，單側(cè)懸臂≤1段。拱肋在起吊場(chǎng)翻身完成后，將拱肋起吊并沿著吊裝路線縱向運(yùn)輸至拱肋擬安裝位置，以已安裝的拱肋作為軸線的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)，安裝手拉葫蘆，兩端分別固定在已安裝和待安裝的拱肋接頭位置形成對(duì)拉，調(diào)整法蘭盤相對(duì)位置，安裝外側(cè)法蘭盤螺栓，完成與前一段拱肋固定。通過拱肋纜風(fēng)調(diào)整拱肋接頭內(nèi)側(cè)法蘭開口閉合后，再安裝內(nèi)側(cè)法蘭盤螺栓，完成單節(jié)段拱肋就位。區(qū)別于平行拱，提籃拱永久“X”撐起吊至拱肋節(jié)段接頭位置下方后，根據(jù)提籃拱拱肋間距拱腳往拱頂逐漸變窄的特點(diǎn)，將“X”撐從兩岸往跨中方向平移至設(shè)計(jì)位置進(jìn)行就位安裝。

按拱肋安裝順序至合龍段后，對(duì)拱圈進(jìn)行≥24 h的溫度影響觀測(cè)，繪制一個(gè)反映升、降溫過程的“溫度-懸臂端點(diǎn)撓度”關(guān)系曲線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度修正，并選擇一個(gè)溫度效應(yīng)對(duì)拱圈線形影響最小的時(shí)間段通過碼板實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)合龍，隨后再立即焊接合龍段包板。

4 纜索吊裝控制計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 計(jì)算方法

扣索力計(jì)算是鋼管混凝土拱橋采用纜索吊裝懸臂拼裝法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，張拉力準(zhǔn)確與否，決定了拱肋成拱線形的好壞。目前常見的扣索力計(jì)算方法主要有力矩平衡法［6］、零位移法［7］、影響矩陣法［8］等。力矩平衡法的實(shí)質(zhì)是視拱肋接頭為鉸接，扣索力則可由扣索與拱肋形成的靜定結(jié)構(gòu)通過力矩平衡條件求得；零位移法的求解思路主要為使每個(gè)拱肋節(jié)段安裝時(shí)其控制點(diǎn)的標(biāo)高處于設(shè)計(jì)位置，即當(dāng)前控制點(diǎn)預(yù)抬值為零。然而從現(xiàn)有實(shí)踐結(jié)果來看，上述兩種傳統(tǒng)方法的應(yīng)用效果較差，對(duì)于力矩平衡法而言，拱肋接頭為鉸接的假設(shè)條件不滿足實(shí)際拱肋接頭構(gòu)造；對(duì)于零位移法而言，忽略了拱肋后續(xù)安裝對(duì)當(dāng)前節(jié)段安裝的影響，其索力計(jì)算結(jié)果較為粗糙，僅可作為初步估算扣索數(shù)量使用。影響矩陣法在鋼管混凝土拱橋施工控制中有較多應(yīng)用，該方法的關(guān)鍵在于建立受調(diào)向量與目標(biāo)向量的一組求解關(guān)系，從而使拱肋松索線形逼近目標(biāo)線形。

秦大燕等［9］為克服傳統(tǒng)扣索力計(jì)算方法效率低，過程繁瑣、均勻性較差等問題，基于影響矩陣原理和最優(yōu)化理論提出了“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”扣索一次張拉索力算法。本橋采用該方法進(jìn)行纜索吊裝施工控制計(jì)算，其詳細(xì)計(jì)算流程如圖2所示。

4.2 計(jì)算模型

采用Midas Civil軟件建立大橋施工仿真模型，其中拱肋主弦管、腹桿、綴管采用空間梁?jiǎn)卧M，扣索采用僅受拉桁架單元模擬，拱腳三角板采用薄板單元模擬，拱腳斜腹桿內(nèi)灌混凝土采用“雙單元”法模擬，模型自重根據(jù)節(jié)段實(shí)際吊裝重量進(jìn)行修正，其余臨時(shí)荷載如機(jī)具、掛籃、材料等換算成單元荷載或節(jié)點(diǎn)荷載體現(xiàn)。大橋共計(jì)離散節(jié)點(diǎn)數(shù)1 885個(gè)，單元數(shù)3 102個(gè)，其有限元仿真模型如圖3所示。

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

大橋纜索吊裝施工控制遵循“線形控制為主，索力控制為輔”的原則。由于大橋拱肋結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，鑒于篇幅有限，以下僅給出北岸扣索實(shí)際張拉值與理論值，如圖4所示。

由圖4可知，隨著拱肋吊裝的進(jìn)行，各扣索力基本呈均勻遞增的趨勢(shì)，扣索力變化平穩(wěn)，無較大突變。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果來看，扣索實(shí)際張拉值與理論值基本控制在＜10%，可見“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”扣索一次張拉計(jì)算方法扣索力計(jì)算精度較高。

拱肋松索成拱的過程是由多點(diǎn)懸臂支撐體系向拱式體系轉(zhuǎn)化的過程，松索成拱后拱圈線形的好壞，也是鋼管混凝土拱橋施工質(zhì)量控制最直觀的體現(xiàn)。大橋在整個(gè)施工過程中的線形偏差如圖5所示。

由圖5可知，在整個(gè)拱肋施工過程中，拱肋線形控制良好，軸線偏差和豎向高差基本控制在＜15 mm。大橋松索成拱后，與裸拱自重作用下的目標(biāo)線形最大豎向偏差為12 mm，橫向偏差為19 mm，均滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）［10］相應(yīng)要求，實(shí)現(xiàn)了大橋高質(zhì)量控制施工。

5 結(jié)語

本文以某主跨360 m鋼管混凝土提籃拱橋?yàn)橐劳泄こ?，詳?xì)介紹了大橋纜索系統(tǒng)布置以及拱肋施工過程中采用的一些關(guān)鍵施工技術(shù)，采用“過程最優(yōu)，結(jié)果可控”扣索一次張拉索力優(yōu)化算法對(duì)大橋進(jìn)行了施工控制計(jì)算。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法計(jì)算精度較高，能實(shí)現(xiàn)大橋高質(zhì)量控制施工，可供類似工程參考。

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［10］JTG F80/1-2017，公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)勝杰（1987—），工程師，碩士，主要從事公路工程施工技術(shù)管理工作。