中承式鋼管混凝土系桿拱橋橋道系施工控制技術(shù)

魏麗東，向中富，展 寧

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

中承式鋼管混凝土系桿拱橋橋道系施工控制技術(shù)

魏麗東，向中富，展 寧

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

中承式鋼管混凝土系桿拱橋施工，由于主橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、施工難度大，要求在施工過程中對全過程進行施工控制。通過對纜索吊裝系統(tǒng)吊裝行車道邊梁、龍門吊機吊裝行車道內(nèi)梁和汽車吊機吊裝人行道梁等3個階段的施工控制，確保了大橋建成后線形符合設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)受力合理，為相似橋梁的施工監(jiān)控提供借鑒。

鋼管混凝土系桿拱橋;成橋線形;結(jié)構(gòu)受力;施工控制

1 工程概況

四川廣安奎閣渠江大橋全橋跨徑組合為6×30 m（引橋）+62 m+256 m+62 m（主橋）+30 m（引橋），橋型布置見圖1。主橋采用256 m飛雁式鋼管混凝土中承式系桿拱，矢跨比為1/4.5，拱軸線采用懸鏈線線形，邊拱飛雁矢跨比1/5.86。吊桿橫梁、立柱橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土，吊桿橫梁間距為8 m，梁高2 m，頂寬為0.8 m，底寬為0.36 m，立柱橫梁間距為12 m，橋面為鋼筋混凝土∏形梁，采用先簡支后連續(xù)的施工工藝。引橋為30 m預(yù)應(yīng)力簡支T梁，橋面連續(xù)。主拱拱肋為啞鈴型4根鋼管混凝土組成的桁架結(jié)構(gòu)，拱頂截面高4.5 m，拱腳截面高6.5 m，肋寬2.78 m。拱肋上下主弦桿為兩根Φ920 mm鋼弦管，管內(nèi)灌注C50混凝土。弦管通過橫連鋼管和豎、斜向鋼腹管連接成鋼管混凝土桁架。全橋上下游對稱布置共20根可更換式系桿，系桿采用Φs15.2-37低松弛高強度環(huán)氧噴涂鋼絞線。吊桿采用Φs15.2-31低松弛高強度環(huán)氧噴涂鋼絞線，縱向間距8 m，橫向間距20.2 m。

圖1 廣安奎閣渠江大橋橋型布置Fig.1 Bridge-type layout of Guang’an Kuige Qujiang River Bridge

2 施工控制要點

2.1 施工控制目標(biāo)

1）成橋后主拱圈控制點的標(biāo)高與設(shè)計值最大相差控制在L/3 000 m以內(nèi);

2）成橋后結(jié)構(gòu)各控制截面的內(nèi)力與設(shè)計值最大相差控制在10%以內(nèi);

3）本工程成橋后拱軸線偏位不超過±L/4 000 m。

2.2 施工控制原則

施工控制的目的是對成橋目標(biāo)進行有效控制，確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計要求。奎閣渠江大橋施工過程中總的控制原則是:在確保主拱肋穩(wěn)定的情況下，以拱肋和成橋線形控制為主，兼顧結(jié)構(gòu)應(yīng)力［1-3］。

3 奎閣渠江大橋橋道系施工控制

主橋采用飛雁式鋼管混凝土中承式系桿拱，此類橋型具有高度對稱性，在橋道系加載過程中要堅持對稱加載施工的原則，使結(jié)構(gòu)受力性能良好。如果在施工中不按照對稱加載原則進行，很可能出現(xiàn)失穩(wěn)。

3.1 吊桿橫梁和行車道梁施工控制

1）在設(shè)計方和施工方提供的橫梁吊裝順序方案中，通過有限元模型計算得到吊桿橫梁分5批順橋向向兩岸對稱吊裝，兩端吊裝進度差為1根橫梁:第1批吊裝5根L6、L9、L12;第2批吊裝4根L4、L8;第3批吊裝4根L5、L11;第4批吊裝4根L7、L10;第5批吊裝6根L1、L2、L3。這樣，大橋結(jié)構(gòu)受力情況最佳，而且方便施工，全橋有限元計算模型見圖2。

圖2 MIDAS有限元模型Fig.2 MIDAS Finite element model

2）橫梁預(yù)抬高量計算。設(shè)計圖紙給出的橫梁標(biāo)高是成橋狀態(tài)下的理想標(biāo)高。施工過程中，由于后續(xù)的施工階段和1/2活載會對已經(jīng)吊裝的橫梁標(biāo)高產(chǎn)生影響，并且拱肋線形、溫度作用和混凝土收縮徐變等不利因素也會對橫梁的標(biāo)高產(chǎn)生影響，因此，橫梁吊裝時要有一定的預(yù)抬高量。

利用MIDAS建立大橋分段施工模型，根據(jù)實測的拱肋線形的數(shù)據(jù)對模型進行調(diào)整，采用倒退分析方法算出每根橫梁的預(yù)抬高量。模型中吊桿長度與實際吊桿長度的差別通過修改吊桿彈性模量的方法修正［1，5］，最終各根橫梁的預(yù)抬高量見表 1。

表1 橫梁預(yù)抬高量Table 1 Beam Pre-levation /mm

吊桿橫梁吊裝過程按照上表給出的預(yù)抬高量施工，成橋后經(jīng)全站儀觀測，橫梁標(biāo)高與設(shè)計值吻合。

3）安裝行車道梁的工藝，以L12號吊桿橫梁為中心對稱施工。先在把位于上下游外側(cè)的行車道梁利用纜吊系統(tǒng)安裝好，在這些行車道梁上鋪設(shè)軌道，供龍門吊通行。然后利用龍門吊把剩余的行車道次內(nèi)梁和內(nèi)梁架好。這樣，架設(shè)行車道梁的速度比利用架橋機或纜吊系統(tǒng)架設(shè)都要快，節(jié)約了大量的時間，而且施工便利，安全性高。

3.2 人行道梁和二期恒載施工控制

3.2.1 人行道梁施工

在全橋行車道梁架設(shè)完成以后，采用70噸位吊車將8 m的人行道梁對稱架完。在主拱肋和橋道系相交處的人行道梁長12 m，施工難度大，再使用70噸位吊車吊裝，無論是吊車伸臂長還是在有效半徑內(nèi)起吊重量都不符合要求，這時候需要采用200噸位的吊車才能滿足要求。

采用200噸位吊車吊裝12 m人行道梁，需要計算橫梁和行車道梁的受力情況，利用MIDAS有限元模型進行局部計算:

1）按后支腿作用于吊桿橫梁處考慮:（70+30+50）×（2/3）×1.15=115 t（吊車 70 t，配重 50 t，12 m人行道梁30 t，后支腿分重按2/3計算），計算結(jié)果見圖3。吊車后支腿位于吊桿橫梁處時，吊桿橫梁下緣最大拉應(yīng)力為4.71 MPa，超過橫梁允許拉應(yīng)力1.15ftk，即 2.76 MPa。

圖3 橫梁計算應(yīng)力曲線Fig.3 Stress curves of beams calculation

2）按前支腿作用于吊桿橫梁處考慮:（70+30+50）× （1/3）×1.15=57.5 t（吊車 70 t，配重 50 t，12 m人行道梁30 t，前支腿分重按1/3計算），計算結(jié)果見圖4。

圖4 橫梁應(yīng)力計算Fig.4 Beam stress calculation

吊車前支腿位于吊桿橫梁處時，吊桿橫梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3）200 噸位吊車行進對行車道梁影響。廣安奎閣渠江大橋設(shè)計荷載為公路一級，根據(jù)公路一級車道布載要求，行車道梁的荷載設(shè)計至少可以承受44.4 t的活載，即1.05 ×8+36=44.4（t）＞70/2 ×1.15=40.25（t）。

因此，采用200噸位吊車在吊人行道梁時，吊裝作業(yè)要緩慢進行，前支腿要作用于吊桿橫梁處，后支腿盡量靠近鋼橫梁，這樣橫梁不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)局部受力過大產(chǎn)生破壞。行車道梁在吊車通行和吊裝過程中滿足安全要求。

3.2.2 二期恒載加載

二期恒載加載主要是橋面鋪裝，本工程橋面鋪裝分為鋼纖維混凝土和瀝青混凝土兩部分。橋面鋪裝，由兩岸鋼橫梁向跨中采用條帶狀對稱鋪裝，經(jīng)過MIDAS模型計算分析，這樣鋪裝對結(jié)構(gòu)受力較有利。

3.3 系桿張拉順序

全橋上下游對稱布置20根可更換式系桿，每根系桿張拉力為3 825 kN，上下游對稱張拉，系桿編號見圖5。

考慮基礎(chǔ)、邊拱和主拱結(jié)構(gòu)受力合理，在恒載加載過程中，利用系桿拉力平衡主拱在拱座處產(chǎn)生的水平不平衡推力［4-6］。在完成樁基、承臺、拱座、交界墩、邊拱拱肋、橫梁、系梁、立柱及立柱蓋梁后，張拉完1、2號系桿;主拱肋內(nèi)、外側(cè)下弦管混凝土灌注完，上弦管內(nèi)、外側(cè)混凝土還沒有灌注，張拉完3號系桿;澆筑主拱拱上立柱及蓋梁時張拉完4號系桿;在吊裝第3批吊桿橫梁時張拉完5號系桿;吊裝第5批吊桿橫梁時張拉完6號系桿;吊裝行車道外梁張拉完7號系桿;吊裝行車道次內(nèi)梁和內(nèi)梁張拉完8、9號系桿;吊裝人行道梁張拉完10號系桿。

圖5 系桿鋼束編號Fig.5 Tie steel beams number

3.4 線形和應(yīng)力情況

1）通過對橋道系施工過程控制，對主拱標(biāo)高實測值和控制值比較及偏位情況得到拱肋線形控制較好，控制精度比較高，符合設(shè)計和相關(guān)要求［7-9］。偏位和主拱實測值與理論值高差見表2。

表2 橋道系施工結(jié)束主拱肋控制點偏位及高差Table 2 Control point deviation and elevation difference of the main rib when construction completed

2）主拱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，拱腳處最大壓應(yīng)力-81.3 MPa;1/8截面處最大壓應(yīng)力為-93.3 MPa;1/4截面處最大壓應(yīng)力為-118 MPa;3/8截面處最大壓應(yīng)力為-136.4 MPa;1/2截面處最大壓應(yīng)力為-163.5 MPa，從主拱受力可以看出主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力是在控制范圍之內(nèi)的，拱肋應(yīng)力實測值和理論值比較見圖6和圖7。

圖6 上游拱肋應(yīng)力實測值與理論值比較Fig.6 Stress measured value and theoretical value of upper rib

圖7 下游拱肋應(yīng)力實測值與理論值比較Fig.7 Stress measured value and theoretical value of lower rib

成橋后橋面實測線形與設(shè)計線形比較結(jié)果見圖8。

4 結(jié)語

通過對橋道系施工控制，主拱肋的應(yīng)力實測值與理論計算值比較吻合，而且小于材料的允許應(yīng)力值，拱肋處于安全狀態(tài)。主拱標(biāo)高和橫向偏位都在規(guī)范和控制目標(biāo)范圍之內(nèi)，表明該橋成橋線形控制較好。大橋在施工中局部受力都在控制范圍內(nèi)，使結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。通過計算對大橋橫梁進行適當(dāng)?shù)念A(yù)抬高，成橋后橫梁標(biāo)高與設(shè)計值吻合，橋面實測線形在設(shè)計控制范圍和相關(guān)要求規(guī)定之內(nèi)，橋面線形流暢。這些表明該橋施工的控制效果良好。

圖8 成橋后橋面實測線形與設(shè)計線形比較結(jié)果Fig.8 Comparison of the measured linear and design linear of the bridge

（References）:

［1］ 龔清盛，朱家榮，張威.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制技術(shù)研究［J］.四川建筑，2010，30（5）:207-208.

GONG Qing-sheng，ZHU Jia-rong，ZHANG Wei.Research on the Large-span steel arch bridge construction control technology ［J］.SiChuan Architectural，2010，30（5）:207-208.

［2］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.2版.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ 周水興，張永水，顧安邦，等.大跨鋼管混凝土拱橋施工控制的理論與實踐［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2001，20（3）:14-16.

ZHOU Shui-xing，ZHANG Yong-shui，GU An-bang，et al.The theory and practice for construction control in large CFST arch bridges［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（3）:14-16.

［5］ 王亞超，張晉.鋼管混凝土拱橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.城市道路與防洪，2009（7）:222-224.

WANG Ya-chao，ZHANG Jin.Study of key construction control technique of steel pipe concrete arched bridge ［J］.Urban Roads Bridges＆ Flood Control，2009（7）:222-224.

［6］ 張敏，周水興，胡免縊.鋼管混凝土拱橋施工控制原理與控制分析算法研究［J］.公路交通科技，2003，20（2）:39-42.

ZHANG Min，ZHOU Shui-xing，HU Mian-yi.Study on construction control principle and arithmetic of CFST arch bridge［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2003，20（2）:39-42.

［7］ 李明光.鋼管混凝土拱橋施工控制研究［J］.遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報，2008，10（1）:4-6.

LI Ming-guang.Research of ningbo cicheng bridge construction control［J］.Journal of Liaoning Provincial College of Communications，2008，10（1）:4-6.

［8］ 肖軍良.大跨度鋼管混凝土拱橋施工方法的研究［D］.重慶:重慶交通學(xué)院，2003.

［9］ 趙洋，周水興，劉靜.鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝線形控制的分步算法［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，29（1）:1-3.

ZHAO Yang，ZHOU Shui-xing，LIU Jing.Step-by-step algorithm of liner control of arch ribs of CFST arch bridges［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29（1）:1-3.

Control Technology of Half-Through CFST Arch Bridge Construction

WEI Li-dong，XIANG Zhong-fu，ZHAN Ning
（School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

As the main bridge structure is of complexity，high technology content and construction difficulticulty，the construction of concrete-filled steel tubular tie-bar arch bridge requires construction control in the whole process of construction.Though the monitoring of carriageway edge beams lifted by hoisting cable hoisting system，machine and car lanes lifted by gantry crane and sidewalk beams lifted by the crane hoisting，it is ensured that the bridge alignment meets the design requirements after completion and the structure stress is rational，which provides a reference for the similar bridge construction monitoring.

concrete-filled steel tubular tie-bar arch bridge;bridge alignment;structure force;construction control

U445

A

1674-0696（2011）06-1311-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.12

2011-06-16;

2011-07-10

魏麗東（1986-），男，遼寧凌源人，碩士研究生，主要從事橋梁設(shè)計施工方面的研究。E-mail:WLD_1205@126.com