淺談上承式系桿拱橋的施工控制

鄒曉峰 邵伯賢

（1.江蘇東南交通工程監理咨詢有限公司 南京 210018；2.江蘇省鎮江市路橋工程總公司 鎮江 212017）

1 施工控制的內容和目標

橫五路蒿東河結構體系復雜，主橋系桿和拱肋采用支架節段施工，存在體系轉換，設計與施工高度耦合。在施工階段隨著結構體系和荷載狀態的不斷變化，結構內力和變形也隨之不斷變化，并決定成橋后結構的受力及線形。因此必須對橋梁的每一施工階段進行詳盡的分析和驗算，求得結構位移以及結構內力等施工控制參數的理論計算值，對施工的順序做出明確的規定，并在施工中加以有效的控制。預應力混凝土系桿受力復雜，同時又是整個橋梁的生命線，通過實測手段可更加準確地獲得系桿的受力。且系桿與基礎相互作用復雜，同時給系桿施加的預應力存在承臺基礎與系桿之間分配的問題。所以通過監控可實時獲得系桿的受力，保證系桿在整個施工過程中受力的可控性、安全性。另外本橋設計區別于其他拱橋的特點在于：①拱橋實際合龍溫度與理論計算溫度存在偏差時，需通過內力調整措施（如千斤頂頂推）以消除該偏差對結構受力的影響［1］；②設計在系桿近承臺處預留合龍段，考慮千斤頂水平頂推，以改善承臺樁基的受力。實施過程中需實時監測承臺及系桿的響應。因此，本橋施工控制工作的控制目標為：①確保橋梁施工中的安全和順利合龍；②觀察拱肋裂紋，及時提出處理意見；③當實際合龍溫度與理論計算溫度存在偏差時采取內力調整措施；④在施工各階段應及時測試應力、溫度、標高，保證拱肋標高、應力、系桿應力在設計控制范圍內，確保結構內力處于最優狀態，確保成橋線形符合設計要求。

2 施工控制的原理和方法

根據本項目的實際情況在控制方法上采用自適應控制方法，施工監控的基本原理見圖1。當測量到的結構受力狀態與模型計算結果不相符時，通過將誤差輸入到參數辯識算法中去調節計算模型的參數，使模型的輸出結果與實際測量到的結果一致，得到了修正的計算模型參數后，重新計算各施工階段的理想狀態。這樣，經過幾個工況的反復辯識后，計算模型就基本上與實際結構相一致了，在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。其基本步驟如下：①首先以設計的成橋狀態為目標，按照規范規定的各項設計參數確定每一施工步驟應達到的分目標；②根據上述分目標開始施工，并測量實際結構的變形和應力等數據；③根據實際測量的數據分析和調整各統計參數，以調整后的參數重新確定以后各施工步驟的分目標，建立新的跟蹤分析程序。

圖1 自適應施工監控基本原理

3 施工過程的仿真計算

按照施工和設計所確定的施工工序，以及設計所提供的基本參數，對施工過程進行正裝分析及倒裝分析，得到各施工狀態以及成橋狀態下的結構應力狀態和變形等控制數據。施工階段控制截面應力及位移計算理論值見表1、表2。

表1 施工階段拱肋應力值計算表 MPa

表2 施工階段拱肋豎向變形值 mm

3.1 立模標高的確定

對于拱橋施工來說，拱肋立模標高的計算是最為重要的工作，其定位的準確直接關系到拱軸線的線形，影響結構的受力。

拱肋定位標高＝設計標高＋施工預拋高＋運營預拋高＋支架變形拋高。其中：設計標高為設計圖紙上提供的標高；施工預拋高為施工該節段后至成橋時，該節段發生的豎向變形值負數；運營預拋高為成橋后，由于活載或者徐變作用，使該節段發生豎向變形值的負數；支架變形拋高為澆筑該節段混凝土，支架產生的豎向變形值的負數。本橋經計算施工、運營預拋高，跨中設置為8 cm，其他位置按二次拋物線進行分配。

3.2 拱肋頂推力的計算

由于該橋矢跨比較小，因此結構對溫度比較敏感，尤其是拱腳上緣的拉應力。而實際合龍溫度往往由于施工工期等客觀氣象因素影響導致與設計溫度間差別較大，因此會使合龍后的結構附加內力較大，甚者出現拱肋拱腳上緣等部位開裂。為了抵消拱肋合龍時現場溫度與設計溫度之間差值Δt產生的拱腳負彎矩，在合龍前，拱肋頂推力的大小應該根據Δt的大小確定，使得頂推后，由于Δt產生的拱，腳負彎矩與頂推產生的力大小相等，方向相反，即可達到設計內力狀態，保證拱腳部分受力滿足要求［2］，即：

式中：M拱腳，頂推力為頂推力產生的拱腳彎矩；M拱腳，溫度力為現場溫度與設計溫度之間差值Δt產生的拱腳彎矩。

根據現場溫度與設計溫度之間差值Δt和頂推位置，通過模型計算即可確定頂推力的大小。按設計要求，該橋拱肋合龍溫度控制在15℃，當該橋合龍溫度高于15℃時，對該橋拱肋受力進行分析可知，每當合龍溫度高出設計溫度1℃ ，結構回復到設計溫度狀態時產生的拱腳斷面的軸力和彎矩分別為－101 k N和－520 k N·m，由此產生該斷面上緣拉應力為0.17 MPa和下緣壓應力為－0.2 MPa，而實際本橋合龍時間在7，8月份，最低大氣溫度為25℃，遠遠高于原設計合龍溫度，因此通過計算本橋拱肋頂推力（合龍段內水平方向頂推）為單片拱肋施加3 000 k N，半幅合計6 000 k N以減小正常使用階段該截面的拉、壓應力。

4 施工控制測量

4.1 應力和線型監測點位置

根據拱橋的受力特點，拱肋應變測試斷面主要布置在拱腳、四分點和拱頂斷面；系桿測試斷面主要布置在拱腳、四分點和跨中位置。拱肋變形測試斷面每個拱肋下方布置13個測點，特別在拱肋各分段接頭處及主拱腳處進行線性及位移監測。測點布置位置見圖2。

圖2 蒿東河橋拱肋、系桿應力測點布置位置圖

4.2 施工過程中應力及線形監測

本橋施工工藝順序為：基礎施工→澆筑系桿中間段→張拉系桿中間段鋼束→澆筑承臺、拱腳→系桿合龍段頂推→系桿合龍→張拉系桿合龍束→搭設拱肋支架→澆筑拱肋→拱肋合龍→拆除支架→張拉系桿通長束→澆筑拱上立柱和蓋梁→架設梁板→施工橋面系。

根據施工順序有針對性地對每一施工節段拱肋、系桿進行應力與線形監測。

4.2.1 拱肋線形控制

本橋設計明確給定在拱肋施工過程中所設預拱度。拱肋線形控制應包括現澆拱肋時拱肋豎向高程的觀測控制，每個施工工況下拱肋豎向變形計算值與觀測值的對比。本橋現澆拱肋共分5段，拱肋線形控制測試從主拱澆筑完成后直至成橋均需測量，分為以下工況進行測量：①主拱澆筑混凝土過程中；②主拱混凝土澆筑完成；③橋面風撐澆筑完成；④拱肋支架拆除后；⑤拱上立柱、蓋梁澆筑完成；⑥拱上板梁架設完成；⑦ 橋面鋪裝完成。測試時間應選擇早晨日出前，避免日照、溫度影響。

4.2.2 系桿、拱肋應變測量

結構應力測試的目的是測量結構的內力變化。將應變計埋在混凝土中或粘貼在混凝土表面，測量結構的應變變化，從而推算結構應力變化。考慮到結構施工過程的長期性，采用弦式應變測試法［3］，其中系桿采用表貼式應變計，拱肋采用埋入式應變計。根據施工順序對每一施工節段拱肋與系桿的工況應力進行監測。系桿：①系桿張拉預應力鋼筋前后；②系桿頂推前后；③拱肋支架預壓時；④拱肋節段澆筑過程中；⑤拱肋支架拆除后；⑥立柱蓋梁施工完成；⑦二期鋪裝施工完成。拱肋：①拱肋節段澆筑過程中；②拱肋支架拆除后；③立柱蓋梁施工完成；④二期鋪裝施工完成。另外幾種需進行監測的工況有：①結構合龍；②橋面上施工荷載有較大變化。

4.2.3 拱座水平位移測試

在施工過程中張拉預應力、施工拱肋及拱上建筑都會產生拱肋的水平推力，使得拱座發生水平位移。因此，須對拱座的水平位移進行監測。具體方法為在拱座兩端做好標記，采用測距儀進行讀數，精度控制在1 mm以內。測試工況為：①張拉系桿預應力前后；②拱肋合龍頂推前后；③拆除拱肋支架前后；④拱上建筑施工過程。

4.2.4 溫度監測

對拱肋混凝土進行溫度監測，以獲得與線形及位移相對應的大氣溫度以及拱肋自身的溫度，為拱圈合龍時由溫度差造成的結構受力偏差控制分析服務。混凝土內部的溫度采用埋入式應變傳感器進行測量，外界溫度采用溫度計進行測量，混凝土表面溫度采用表面溫度測試儀進行測量。測試工況同應變測試工況。觀測時間應選在清晨或黃昏日落之后，測量時間最好控制在2 h之內。

4.2.5 支架變形監測

通過支架預壓荷載可以消除支架部分非彈性變形并且在支架預壓過程中測量支架彈性變形和非彈性變形［4］，在主拱肋澆筑過程中隨時檢測支架變形，以保證施工過程中支架的安全和主拱肋成橋時的線性。

5 施工控制結果及結論

蒿東河橋施工監控從2012年4月系桿施工開始到2012年10月橋梁完成橋面系，歷時7個月，順利完成監控任務。

5.1 拱肋線形偏差

在對拱肋支架豎向變形監測過程中，澆筑過程中所有測點最大豎向變形為5 mm，小于等于支架變形拋高值5 mm，拆除拱肋支架后，拱頂下沉量最大為18 mm，小于設計下沉量27 mm，張拉系桿通長束后拱頂上拱為8 mm，小于設計上拱量為11 mm，架設板梁施工完橋面系后拱頂下沉量最大為25 mm，小于設計下沉量30 mm，通過以上數據，表明各個工況拱肋標高與設計預設標高處于吻合狀態，拱肋的拱軸線在施工完成后與設計拱軸線重合，滿足設計要求。

5.2 應力偏差

各監測斷面應力實測值與理論應力值相比，為接近且走向趨勢相同以，即拱肋合龍前最大拉應力為0.7 MPa，出現在跨中GL4，GL5斷面下緣位置；最大壓應力為－0.9 MPa，出現在GL2，GL7斷面下緣位置；系桿最大拉應力0.6 MPa，出現在跨中斷面，基本在理論零值附近。系桿合龍段斷面最大壓應力為－3.0 MPa，最小壓應力－1.7 MPa，與合龍束張拉產生的應力理論值－2.2 MPa基本一致。拱肋合龍前張拉系桿T2，T3通長預應力束后，系桿最大壓應力－6.7 MPa出現在跨中斷面，與理論值－5.8 MPa接近。拱肋斷面最大壓應力為－3.7 MPa，出現在拱肋的GL2，GL4斷面上緣位置，與計算的－3.2 MPa接近。拱肋合龍前對拱肋進行頂推后拱肋最大壓應力為－1.17 MPa，出現在GL2，GL5斷面上緣位置。拱肋支架拆除二期橋面鋪裝施工完畢后，系桿最大壓應力為－6.5 MPa，出現在系桿跨中斷面，與理論值－6.2 MPa接近。拱肋斷面最大壓應力為－4.8 MPa，出現在跨中GL4，GL5斷面下緣位置，與計算的－3.6 MPa接近。所有測試斷面均未出現拉應力。通過以上數據，表明各控制截面應力狀態良好，保持有較大壓應力儲備，且通過拱肋合龍頂推措施能夠大大減小拱腳斷面拉、壓應力，為后期橋梁運營創造良好條件。

［1］ JTG／T F50－2011公路橋涵施工技術規范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［3］ 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.

［4］ 向中富.橋梁施工控制技術［M］.北京：人民交通出版社，2001.