大跨鋼筋混凝土拱橋主拱圈施工應力監控

唐鵬 宮賽

(長安大學公路學院，陜西西安 710064)

0 引言

隨著我國大力發展交通事業，修建的橋梁跨度也越來越大，施工難度也就越大。尤其是在丘陵山區交通建設中，路線中會有一些跨度比較大的峽谷和高山，為了跨越各種障礙，修建橋梁和隧道是較合理的方案。拱橋在我國有著悠久的歷史，具有跨越能力大、耐久性好、外形美觀和構造簡單等優點[1］。為了確保橋梁的結構安全性、可靠性、結構內力和變形在施工過程中始終處于安全范圍內，以及成橋后橋梁的線形符合設計規范要求，在大跨度橋梁施工過程中進行嚴格的施工控制是必不可少的[2］。為此，本文在前人研究的基礎上，對一大跨度空腹式鋼筋混凝土拱橋的應力監控方案進行研究，以期得到較為合理的結果[3］。

1 工程概況

臨潼某橋位于鳳凰大道段，橋梁全長169 m，為不等跨5孔鋼筋混凝土拱橋，跨徑布置為 18．8 m+19．4 m+78．2 m+19．4 m+18．8 m。橋梁全寬39．3 m，分為左右兩幅。橋梁中孔采用二次拋物線形箱形拱，跨徑72．87 m，矢高 14．179 m，矢跨比 1/5．14。兩側邊孔均采用圓弧板式拱，跨徑16．679 m，矢高4．736 m，矢跨比1/3．52;次邊孔跨徑16．678 m，矢高4．735 m，矢跨比1/3．52，拱軸線圓弧半徑R=9．711 m。為了減少拱上建筑重量，在主孔及兩側邊孔上均設腹拱，腹拱采用圓弧板式拱，拱軸線圓弧半徑R=2．65 m，矢跨比1/2。拱橋橋頭設置背墻、耳墻及錐坡與兩側道路及現狀溝邊坡順接，大橋總體布置如圖1所示。

2 施工監控的目的和方法

2．1 施工監控的目的

施工監控的主要目的是為了保證橋梁在施工過程中結構內力合理和安全可靠性，使變形在允許范圍內。在橋梁施工中，一旦發現變形和應力誤差偏大，應立即停止施工，查明原因，及時整改，使各種工況都滿足設計要求。確保橋梁結構的施工安全、橋梁結構的施工質量和橋梁施工的順利進行，為日后橋梁的養護維修和管理工作提供重要的參考依據[4］。

2．2 施工監控的方法

開環監控、反饋監控和自適應監控分別是橋梁施工監控的三個主要方法。具體的監控方法應根據實際情況決定，本次的施工控制采用的是應用現代控制理論中的自適應監控方法，這種方法經常在我國大跨度橋梁施工監控中使用[5］。

“施工→量測→識別→分析→修正→預測→施工”是橋梁施工監控的循環過程。在施工過程中，把模型計算和結構測量的結果進行對比，根據模型輸出和實際測量的結果一致的原則調整參數。使用修改后的參數，重新對各個施工階段進行計算。分析判斷各種工況返回時的測量數據，找到和分析誤差的原因，減小誤差的產生。根據分析判斷誤差的結果對實測數據不斷修正參數，把內力、變形的計算與實測值的差值不斷減小，經過反復識別幾個工況后，計算模型和實際結構就能基本一致了，這樣能更好的控制施工，達到橋梁監控的目的[6］。

3 應力監控

橋梁施工監控的重點之一是應力監控，因為它關系到橋梁結構的可靠性和安全性。橋梁的參數估計、狀態預測和調整的重要依據之一是對結構應力理論值與實測值的對比，結構應力監測的主要內容是:應力數據的采集主要在拱橋主拱圈的拱腳、L/4處和拱頂截面;同時測量拱橋主拱圈的溫度變化;應力數據的測量在日出前完成，時間控制在3 h內[7］。

3．1 測量儀器

測量儀器采用的是弦式智能數碼應力傳感器，它具有內置智能芯片、全數字檢測、信號長距離傳輸不失真和抗干擾能力強等優點。它的工作原理是把導電線圈和鋼弦組成感應電路，由于受力的原因，作為傳感元件的鋼弦發生變化，鋼弦在脈沖作用下產生振動，把與自振頻率相對應的頻率變化信號傳給儀表，鋼弦自振頻率和鋼弦所受應力之間的關系式[8］:

其中，f為鋼弦自振頻率;L，σ，ρ分別為鋼弦長度，應力，質量密度。

3．2 應力測點的布置

大跨鋼筋混凝土拱橋的主拱圈結構是鋼筋混凝土的組合截面，應力分布比較復雜。為此，采用MIDAS/Civil有限元分析軟件，建立該橋南幅的有限元分析模型，獲得其應力分布情況。其中，本模型均采用梁單元進行模擬，全橋有限元模型節點共計485個，單元共計432個，有限元模型如圖2所示。同時，對主拱圈結構進行實時應力監測，及時了解主拱圈的受力狀況，判定主拱圈的應力是否在容許范圍內。由于橋梁受濕度、溫度、混凝土收縮徐變和施工干擾等因素的影響，加大了對施工過程中結構應力測試的難度[6］。科學合理的應力監控方案是必要的，根據有限元分析結果及工程經驗，確定其應力測試位置如圖3所示。

3．3 現場應力監控數據

通過對應力測點進行監控數據的采集，得到主拱圈一次落架以及成橋階段兩種工況下各個測點處的應力分布情況，實測數據結果分別如表1和表2所示。

表1 主拱圈一次落架應力狀況 MPa

表2 成橋階段拱肋應力狀況 MPa

根據實測各測點的應力值，可以得到拱腳、L/4處截面、拱頂等位置在一次落架和成橋兩種重要工況中的應力變化情況，為施工過程的安全控制、施工質量的可靠保證提供有力的數據支撐，具體如圖4～圖8所示。

由圖4～圖8可以看出，主拱圈的左右拱腳、左右兩側L/4處截面和拱頂的應力值在一次落架和成橋階段應力變化不大，且頂板的應力均大于底板應力，截面頂板、底板均處于受壓狀態，基本沒有出現拉應力，全橋混凝土梁段處于受壓狀態。由此也說明了主拱圈拱腳、L/4處截面、拱頂截面受力合理，主拱圈應力在控制范圍內，各截面應力實測值均小于其應力極限值，且有較大余地，符合規范要求[9］。因而，在整個拱橋的施工過程中，主拱圈應力監控方案為施工提供了有價值的指導，監測結果令人滿意。

4 結語

通過對臨潼某橋的整個施工過程中的監控，結合控制截面的應力測試情況與有限元分析結果，得到以下結論:該橋在拆架和成橋的過程中，主拱圈的應力變化幅度不大，主拱圈的拱腳、L/4處截面、拱頂截面的頂板、底板處的截面應力的測量值小于應力極限值，結構受力合理，說明橋梁在施工過程中和成橋后結構均處于安全穩定的狀態，該橋設計安全可靠，施工規范合理，且該橋施工的控制良好[10］。為了保證橋梁施工過程安全、施工質量和施工的順利進行，對橋梁的施工過程進行監控至關重要。

[1] 范立礎．橋梁工程(下冊)[M］．北京:人民交通出版社，1997．

[2] 周水興，張永水，顧安邦．大跨鋼管混凝土拱橋施工監控的理論與實踐[J］．重慶交通學院學報，2001，20(9):79-81．

[3] 顧懋清，石紹甫．公路橋涵設計手冊——拱橋(上冊)[M］．北京:人民交通出版社，1997．

[4] 顧安邦，孫國柱．公路橋涵設計手冊——拱橋(下冊)[M］．北京:人民交通出版社，1997．

[5] 顧安邦，張永水．橋梁施工監測與控制[M］．北京:機械工業出版社，2005．

[6] 鄒中權，賀國京．大跨鋼管混凝土拱橋施工監控研究[J］．中南林業科技大學學報，2007(4):71-75．

[7] 薛新枝．鋼管混凝土拱橋的施工控制[J］．鐵道建筑，2006(12):12-14．

[8] 李國豪．橋梁結構的穩定與振動[M］．北京:中國鐵道出版社，1996．

[9] JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術規范[S］．

[10] 交通部公路規劃設計院．公路橋涵設計規范(合訂本)[M］．北京:人民交通出版社，2001．