開口薄壁箱轉體拱橋施工控制的關鍵技術

鐘 偉

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司試驗檢測中心)

開口薄壁箱轉體拱橋施工控制的關鍵技術

鐘 偉

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司試驗檢測中心)

摘 要:以貴州花江大橋為工程背景，根據混凝土開口薄壁截面轉體拱橋的施工控制特點，論述了該類型橋轉體施工控制的結構計算分析、轉動體系重心位置計算、索力的確定、背墻及上轉盤的受力安全、開口薄壁拱肋的受力和變形以及穩定性分析、現場施工監測的實施、磨心和磨蓋的施工監測等關鍵技術。為同類型橋梁的施工控制提供了有利的參考。

關鍵詞:施工控制;混凝土拱橋;轉體施工;開口薄壁

1 工程背景

花江大橋位于貴州S210線上，跨越北盤江，主橋結構為上承式普通鋼筋混凝土箱形拱橋，凈跨140 m，凈矢高28 m，凈矢跨比1/5，拱軸系數m=1.998。主拱圈是等截面懸鏈線單箱三室箱形拱結構。為了減輕轉動體系重量，主拱圈混凝土分成兩期澆筑，一期混凝土在岸上現澆為開口薄壁箱拱，側壁和底板基本均為10 cm，待拱圈轉體合攏成拱后再補足側壁和底板至設計厚度25 cm并且澆筑拱圈頂板。轉動體系由開口薄壁箱拱肋、交界墩背墻、扣背索、磨心、磨蓋、倒椎體、上轉盤、下轉盤組成。其理論設計質量約3 800 t，為有平衡重的轉體施工橋。

2 轉體施工控制的關鍵

2.1 結構建模計算分析

2.1.1 花江大橋靜力模型的分析處理

由于該轉體施工拱橋各結構的受力、空間位置和傳力體系的復雜性，運用通用有限元軟件Midas對整個轉動體系進行靜力分析建模時，應作一些合理的簡化處理，并最大程度地確保簡化后的模型重量、剛度不變以及邊界條件的合理性。

(1)扣索的模擬。

扣索的模擬一般可采用三種方法。

①曲線索單元法

當扣索較長時，扣索在自重作用下形成的懸鏈線可用一個或多個曲線索單元來模擬，其剛度矩陣可由拉格朗日插值函數或多項式并考慮扣索在節點上的位移關系來確定。

②分段直桿法

將扣索當作多段彈性直桿單元來模擬，即用分段的鉸接桿來離散扣索，扣索的自重和外荷載作用在節點上，桿的軸向剛度需要考慮重力剛度。

③等效彈性模量直桿單元

用考慮垂度效應影響的有效彈性模量的直桿單元代替實際的扣索，其等效的彈性模量可采用Ernst公式計算。

采用第三種方法對鋼絞線扣索進行模擬，并結合花江大橋扣索的基本參數，計算該橋扣索的等效彈性模量。等效彈性模量Eeq的公式如下:花江大橋扣索由48根Φ15.24的鋼絞線組成，其彈性模量為1.95×105MPa，為了簡化建模，根據截面面積和剛度等效的原則將實際48根扣索等效為8根，即每列6根簡化為1根，等效彈性模量Eeq的表達式如下:

式中:E為不考慮索垂度影響的彈性模量，即索的實際彈性模量，kPa;σ為索的應力，kPa;l為索的水平投影長度，m;γ為索的容重，kN·m-3。

考慮垂度效應影響后，由以上公式計算得出扣索的等效彈性模量為1.94×105MPa，與等效換算前相比相差僅0.5%，變化微小，因此，該橋當中扣索的垂度效應影響可以忽略不計，扣索的模擬可選用能反映該結構受力特性的空間桁架單元，所選的桁架單元不僅能模擬扣索的預應力張拉，而且由于桁架單元的單元形式比較簡單，也便于模型的計算。

(2)扣、背索與結構錨固端的處理。

為保證結構分析的精度，必須對扣、背索錨固點準確定位，建模時扣、背索與其相應結構的錨固端節點并不一定重合，需采用剛臂連接的方式對其相應位置的節點進行耦合。扣索的模擬由于將每列6根簡化為了1根，簡化后應注意扣索在拱肋的錨固點位置，為實際扣索合力作用點的中心位置，確保扣索的水平傾角與設計一致，不能為了簡化而直接錨固在腹板節點上，并應保證扣索的平行，不產生橫向偏心彎矩;扣索的建模簡化不當對結構的分析計算將會產生較大的影響，因此需特別注意。

(3)拱肋與上轉盤實體連接的處理。

由于建模時拱肋和上轉盤分別采用厚板和實體單元進行模擬，節點位置并不一定能剛好重合，因此拱腳處板單元與上轉盤實體單元采用剛臂聯接，用來耦合節點的自由度，節點耦合的范圍應與實際拱肋的板厚相吻合。

(4)鋼筋籠、型鋼骨架橫隔板的處理。

在進行靜力分析時，為了簡化建模，將型鋼骨架橫隔板、鋼筋籠等效為節點荷載施加于模型對應位置上，然后分別對轉體結構各個部分的模型進行自重檢驗，需滿足精度要求。

(5)拱肋支架的處理。

為了分析轉體結構在整個張拉脫架過程的受力狀態，采用只受壓單元來模擬滿堂支架對開口薄壁拱肋的支撐作用，該類單元受拉時自動與拱肋脫開，受壓時才起到支撐作用，能較好的模擬結構實際受力狀態。

2.1.2 花江大橋穩定性模型的分析處理

考慮到結構的實際特點以及拱結構的穩定特征，運用空間有限元軟件ANSYS對該橋轉體結構體系張拉脫架后進行穩定性分析建模，對拱肋進行穩定性分析時，考慮到背墻水平回彈位移較小，且背墻作為一個配重的實體結構，相比開口薄壁拱肋而言，并非失穩研究的主體，因此僅建立“扣索—拱肋”體系模型。將鋼筋籠和型鋼骨架橫隔板按實際位置建模，不再按節點荷載等效;扣索在背墻的錨固端以及拱腳的邊界條件均采用固結;其中扣索采用單元Link10模擬，拱圈的腹板、底板、混凝土橫隔板均采用Shell63單元模擬，鋼筋籠采用 Link8單元模擬，型鋼骨架橫隔板采用Beam44單元模擬。

2.2 轉動體系重心位置計算

轉動體系由扣、背索、半拱肋、上盤、背墻組成，其重量約為3 800 t。轉體時，轉動體系僅是在下盤磨心球面的支撐下進行水平轉動，無任何其它的支撐點。因此，要確保轉體施工的安全并防止結構整體傾覆，就必須正確計算轉動體系的重心位置以便嚴格控制其偏心狀態。且這項工作必須在結構實施轉體施工之前完成。

配平衡重轉體橋的重心位置計算可根據彎矩等效原則，運用Midas進行建模分析，并依據內力計算結果把轉體系統的重心位置換算出來，再根據這個結果調節平衡配重重量，以確保重心位置始終落在磨心上。

由于轉動體系構造十分復雜，上述計算過程就會十分繁瑣，所以必須保證計算的精度，以免遺漏和錯算，并且要與施工單位和設計單位的計算結果進行校核，對產生誤差的原因進行仔細分析，直到誤差滿足要求。

2.3 索力的確定

轉動體系張拉脫架階段的扣索索力至關重要，扣索合力的大小對開口薄壁拱肋的內力和拱軸線型有較大的影響。它的大小直接關系到扣索數量的確定和主拱圈線形的控制，由于背索索力由扣索索力決定，在求出扣索索力后，利用扣索，背墻，背索三者的平衡關系即可求出背索索力。因此精確的計算出扣索索力的大小是關鍵。

2.4 背墻的受力安全

本橋轉動體系中交界墩背墻的高度達到32 m，它不僅轉動體系的配重結構，而且還是扣索的錨碇反力墻，為了平衡扣索的水平力，在交界墩背墻頂部和上轉盤尾部間還設有背索，背墻不僅體積尺寸大，更是結構受力復雜，是轉動體系結構中的關鍵構件，因此分析其轉體張拉脫架過程中的受力安全非常必要。主要從以下幾方面進行分析:(1)驗證扣、背索分級張拉順序的合理性，以及扣、背索分級張拉原則的問題;(2)背墻預應力張拉效應的問題，即對背墻受力安全的敏感性進行分析的問題。

2.5 上轉盤的受力安全

上盤在施工時承受拱圈、背墻、背索等外力的作用，并通過磨心、磨蓋的球鉸實現平轉，受力十分復雜，因此，需對其進行受力分析，為現場施工控制提供理論參考。上轉盤受力的最不利階段為扣、背索索力張拉到位后，形成磨心、磨蓋單點支撐的受力轉動體系時，因此重點對該最不利工況進行受力分析。

2.6 開口薄壁拱肋的受力及變形

開口薄壁拱肋受力安全的問題主要在于結構轉體張拉脫架階段，拱肋在此工序前還是由各自的支架支撐，只有當張拉索的拉力張拉到設計噸位、拆除拱圈及上轉盤的支撐架后，拱圈、背墻、上轉盤的重量全部由磨心承擔，轉動體系才能形成。在此過程中主要存在以下一些影響結構安全的問題:(1)拱頂扣點的合理錨固區域問題;(2)扣索張拉力的變化對拱圈受力及變形的影響問題;(3)溫度對索變形的影響從而引起拱肋受力及變形的安全問題;(4)轉體施工過程中動力效應對拱圈受力影響的問題。

2.7 開口薄壁拱肋的穩定

橋梁結構的穩定性關系到橋梁結構的安全性能，它與橋梁結構的強度有著同等甚至更重要的意義。現在，橋梁結構的穩定性已逐漸引起人們的重視，但人們主要注重的是橋梁建成以后的穩定性，而對施工過程中可能出現的失穩問題還沒有引起相對重視及可靠的監測手段，尤其是隨著橋梁跨徑的不斷增大，受動荷載或突發情況的影響，還沒有快速反應系統，目前主要是通過提前進行穩定分析計算，并結合結構應力、變形情況來綜合評定和控制橋梁結構的穩定性。

對于貴州花江大橋，在結構脫架形成轉動體系后，由于是磨心單點支撐的受力形式，并且拱肋處于最大懸臂狀態，此階段結構的穩定問題最為突出，結構的穩定問題直接影響到轉體施工過程的安全，因此，要確保大橋在轉體過程中結構處于安全狀態，就必須對該階段結構的穩定性進行分析，弄清影響結構穩定性的因素并加以重點監控。

2.8 現場施工監測的實施

(1)位移監測。

位移監測的目的是弄清結構在外力作用下的結構實際幾何形態，它包括拱肋、上盤頂和背墻頂的變形，從而為轉體施工控制提供依據。

待平轉基本就位時，即采用點控，校正軸線，反復微調直至滿足設計精度。兩岸拱肋平轉到位之后，還將可能出現兩岸拱肋端頭水平、豎直及扭轉錯位的情況，因此還應對其進行調整以滿足合攏精度。其具體措施有:用大噸位千斤頂頂升上盤，調整兩拱肋呈現水平狀態;兩拱肋之間上下交叉拉鋼絲繩，調整拱肋扭轉錯位。

(2)應力監測。

關鍵部位應力監測是通過有效的測控方法，并借助高精度的測試儀器，測出轉體各關鍵截面的應力值，為轉體施工的各階段提供控制數據的實測值，并將其與理論值進行對比分析，對成橋狀態進行動態預測與分析，避免在施工中出現過大應力而危害結構，確保轉體施工的安全。應力監測主要分為六個階段:①拉索張拉過程中;②拉索張拉至設計值穩定后;③拱圈完全脫架后;④轉體前;⑤合龍前;⑥二期混凝土澆筑過程中。

(3)索力監測。

扣索合力的大小對拱圈的內力和拱軸線有較大的影響。此外，扣索的合力與開口箱底板的距離對轉體階段開口箱底板的內力影響較大，特別是拱頂錨板段附近，因此必須對扣索的張拉力大小實行測量控制。并且背墻、半跨拱肋在此工序前還是由各自的支架支撐，只有當張拉索的拉力張拉到設計噸位、拆除拱圈及背墻的支撐架后，拱圈及背墻重量由磨心承受，轉動體系才能形成。為使轉體過程中拱肋受力狀態的合理和安全，要求實際索力與設計索力的誤差控制在容許范圍之內，保證拱圈在轉體過程不會扭壞。

(4)拱肋二期混凝土澆筑過程的監測。

為了減輕轉動體系的重量并且考慮到經濟上的要求，花江大橋的轉動體系的拱肋采用的是開口薄壁截面。當轉體合攏后澆筑拱肋二期混凝土與頂板混凝土時，開口薄壁拱肋作為承重結構，由于受到新澆混凝土的荷載，其線形和應力狀態將發生重大改變。為了確保在此期間拱肋結構的穩定性和安全性，在二期混凝土澆筑過程中對大橋進行線形、應力監測，確保施工期間結構安全，并為相關科研提供相應的實測資料。

2.9 磨心、磨蓋的施工監測

磨心、磨蓋的施工精度直接關系到轉體施工的安全與平穩，尤其應注意的是，磨心施工決定了磨蓋施工的精度，因此須重點控制好磨心施工的精度。為此，須對磨心軸垂直度、磨心平整度進行監測，磨心軸垂直度在兩個平面內都進行檢測(見圖1)。磨心表面上的測點是選取同心圓上的點，要求同心圓上的測點等高，同心圓半徑的間距15 cm，測點的間距約20 cm，每個同心圓上的測點高差不大于1 mm。

圖1 磨心軸垂直度檢測示意圖

3 結論

通過貴州花江大橋的順利轉體合攏及最后順利建成通車的施工結果表明，針對該類橋施工控制的結構計算分析、轉動體系重心位置計算、索力的確定、背墻及上轉盤的受力安全、開口薄壁拱肋的受力和變形以及穩定性分析、現場施工監測的實施、磨心和磨蓋的施工監測等關鍵技術的施工控制是行之有效的，達到了預期的效果。為以后同類型橋梁的轉體施工及控制提供了有利的參考。

:

［1］田仲初，彭濤，馬鳳杰等.佛山東平大橋施工監控的關鍵技術［J］.中外公路，2007，27(3):84-87.

［2］李翌程.鋼管混凝土勁性骨架拱橋轉體施工關鍵技術研究［D］.武漢:武漢理工大學，2006.

［3］唐云偉，陸永軍，皮勇.黃陵洞大橋水平轉體施工關鍵技術研究［J］.交通科技，2007，5:9-11.

［4］馬廣閱，李盛，范小春.混凝土開口薄壁箱拱橋施工關鍵技術研究［J］.武漢理工大學學報，2009，31(19):98-101.

［5］王維.開口薄壁箱形拱橋平轉施工監控技術研究［D］.大連:大連理工大學，2008，(6):15-26.

［6］李智.開口薄壁箱型拱橋轉體施工監控技術研究［D］.武漢理工大學碩士學位文，2006，(5):14-19.

［7］司敏，范小春，劉歡.跳魚坎大橋轉體施工監測監控［J］.國外建材科技，2005，26(2).

［8］周丹，褚 奇，黑世強.鋼筋混凝土拱橋轉體施工的仿真分析［J］.交通科技，2008，227(2):28-30.

［9］黃建生，廖德文.平地壩大橋主拱轉體施工［J］.橋梁建設，2005，(4):48-50.

［10］張聯燕，程懋方，譚邦明，等.橋梁轉體施工［M］.人民交通出版社，2002.

［11］陳寶春，孫潮，陳友杰.橋梁轉體施工方法在我國的應用與發展［J］.公路交通科技，2001，(4):24-28.

中圖分類號:U445

C

1008-3383(2011)06-0182-02

收稿日期:2011-04-11

作者簡介:鐘偉(1982-)，男，湖南益陽人，碩士，研究方向:橋梁結構分析與工程控制。