500 m級鋼管混凝土拱橋施工控制

郝聶冰， 顧安邦

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

拱橋在我國具有悠久的歷史，但跨徑大多在500 m以下.拱橋建設的難度主要集中在施工過程中，大跨徑拱橋通常采用無支架纜索吊裝斜拉扣掛法施工，由于結構在吊裝過程中柔性較大，如何控制拱肋安裝精度以滿足設計要求成為一個難點.對于鋼管混凝土拱橋的施工控制，已經提出了很多控制方法［1-5］，然而這些控制方法都有一個共同點，即拱肋安裝精度嚴格控制在一個精確位置.施工過程中各種因素(節段質量誤差、扣塔偏位以及溫度影響等)將對結構安裝精度產生較大影響，使得這些控制方法難以在大跨徑拱橋施工控制中取得滿意效果.

在國內學者已有研究［6-13］的基礎上，通過分析施工階段拱肋受力特性，提出了施工控制的可調域法，將結構在安裝過程中的精度控制在一定范圍內，在控制節點再對結構進行精確調整，從而大大提高了施工控制的可行性和拱肋吊裝速度.該方法已應用于波司登大橋施工控制，取得了較好效果.

1 工程概況

波司登大橋是瀘渝(瀘州—重慶)高速公路的控制性工程，主橋為跨徑530 m的鋼管混凝土拱橋，跨徑位居同類型橋梁世界第一.主拱拱肋頂部高8 m，拱腳高16 m，拱肋肋寬4 m.主拱拱肋在工廠預制，現場采用無支架纜索吊裝施工，然后利用鋼絞線斜拉扣掛于扣塔.

全橋共分為19個吊裝節段，吊裝拱肋前6節段時，拱腳采用活動鉸，第6節段拱肋扣索張拉完成后，對拱腳進行封鉸以形成固結.兩岸拱肋第1、3、5節段采用臨時扣索扣掛(圖1虛線)，下一節段吊裝完成后，隨即拆除臨時扣索.拱肋合龍段焊接完成后，拆除扣索形成無鉸拱.

圖1 波司登大橋斜拉扣掛體系Fig.1 Cable-stay system of Bosideng bridge

2 可調域法施工控制

橋梁施工控制中，主要對結構線形和應力進行控制.懸臂澆筑施工的連續剛構橋在施工過程中主梁剛度較大，而且節段澆筑完成后，結構的無應力長度和曲率即確定，很難對結構線形和內力進行調整.與連續剛構橋不同，吊裝過程中鋼管混凝土拱橋拱肋的柔性較大，可以通過改變扣索索力的大小調整結構線形和內力.

由無應力狀態法［13］可知，只要結構的無應力長度和無應力曲率保持不變，無論采取何種施工方法，結構最終的線形和內力狀態都相同.因此，對于采用斜拉扣掛法施工的拱橋，只要結構的線形和內力在可以調整的范圍內，并且結構具有一定柔性，都可以通過調整扣索索力，使結構線形和應力滿足設計要求.據此提出可調域法施工控制的概念:施工前，根據結構在施工階段的特點，選取重要施工工序作為控制節點，將施工過程劃分為若干個控制區間，通過仿真分析，并結合應力允許值、施工經驗和施工規范，確定控制區間內結構線形、內力和索力的可調域，在控制區間內讓控制對象處于可調域，在控制區間的節點對結構進行調整以達到目標狀態.控制過程見圖2.

圖2 可調域法施工控制示意Fig.2 Construction control based on the adjustable domain method

根據上述分析，采用可調域法施工控制必須具備2個條件:(1)結構具有柔性;(2)具有相應線形和內力調整措施.可調域法施工控制的核心是利用結構的柔性，其柔性主要體現在結構的線形可調量，若滿足式(1)，即可判定結構柔性滿足可調域法施工控制的要求.

式中:Yai為節段 i線形可調量;Lhi為節段 i懸臂長度.

拱肋是鋼管混凝土拱橋的主要受力構件，拱肋施工可分為拱肋合龍前和拱肋合龍后2個階段.拱肋在合龍前處于懸臂狀態，結構柔性較大，拱肋線形和應力可以通過調整扣索的索力調整;拱肋在合龍后結構剛度變大，并且扣索已經拆除，很難進行線形和應力調整，在后續施工階段也只能進行適當微調，如通過改變鋼管內混凝土的灌注順序.

2.1 控制區間劃分

拱肋吊裝過程中，每吊裝一個節段，結構體系都將發生變化，各節段的可調域區間也隨之變化.如果將每個施工階段作為一個控制區間，施工控制過程較為繁瑣.控制過程中，需要根據結構體系的特點合理劃分控制區間，在控制區間內確定每個施工階段的可調域.

控制區間的劃分主要依據誤差的敏感性和可調域的變化.當結構控制對象參數處于可調域的臨界狀態時，便需要對結構進行調整，使結構重新回歸可調域的中間狀態.因此，劃分施工控制區間需對各影響因素(扣索松弛、張拉誤差、扣塔偏位等)進行敏感性分析，確定合理的調整時機作為控制區間的節點.在控制區間節點，應對結構狀態進行調整，以消除積累的施工誤差，讓結構以精確狀態進入下一控制區間.

對于鋼管混凝土拱橋，隨拱肋吊裝的進行，控制區間越來越小.控制區間的可調域是由控制區間內最小可調域決定的，當可調域變化較大時，應以此作為控制節點劃分控制區間.當結構體系發生變化時，結構的可調域通常也會發生較大變化.

波司登大橋1號拱肋線形的可調量Y封鉸前為－70 mm≤Y≤70 mm，封鉸后為－45 mm≤Y≤45 mm，如果不以封鉸作為控制節點，將大大減小可調域，難以發揮可調域法施工控制的優點.

可調域法施工控制的重點，在于對每個施工控制區間的可調域進行計算分析，從而確定結構的可調域.在控制區間要求結構線形、索力和應力均處于可調域范圍內，在控制節點通過調整扣索索力使結構達到精確狀態.

可調域是在控制區間內對結構的控制要求，控制精度是在控制節點對結構的要求.通過每個施工階段的監測，確定這些參數在可調域內，即可進行下一階段施工.

2.2 可調域計算

扣索索力主要用于平衡拱肋自重，同時扣索會對拱肋產生一個軸力和彎矩，拱肋施工過程中的應力主要受扣索索力和拱肋自重的影響.拱肋應力可按式(2)計算:

式中:σn為節段n的應力;Nni為扣索i對節段n產生的軸力;An為節段n的截面面積;Ti為扣索i的索力;Lcni為扣索i到節段n的垂直長度;Gi為節段i自重;Lrni為節段i到節段n的垂直長度;Wn為節段n的抗彎截面模量.

施工過程中，需要將拱肋應力控制在允許范圍內，可用式(3)計算拱肋應力的可調域:

式中:σnmax為節段 n的允許應力上限;σnmin為節段n的允許應力下限.

扣索索力應在允許范圍內，據此可以得到索力的可調域:

式中:Timax為扣索i的破斷力;k為扣索安全系數.

由式(3)和(4)可見，拱肋應力和扣索索力的可調域相互影響，根據式(3)可以求出應力允許范圍內的索力可調域，再與式(4)求交集，便獲得索力的可調域;將求得的索力可調域代入式(3)，即可求得應力的可調域.

在施工過程中，扣索索力的大小直接影響拱肋標高，將索力可調域代入式(5)，即可求得線形可調域.

式中:αni為扣索i對節段n的線形影響系數;Yn為節段n的線形可調量.

2.3 波司登大橋吊裝階段可調域計算

波司登大橋拱肋前6節段施工時拱腳采用鉸接，第6節段施工完成后對拱腳進行封鉸，形成拱腳固結.拱肋在吊裝過程中，封鉸和合龍是結構體系的2次重要轉換，通過對影響因素的敏感性和可調域變化的分析，可以將封鉸和合龍作為控制區間的節點.

因此，可以將吊裝階段劃分為2個控制區間:控制區間1包括節段1至6拱肋施工，控制區間2包括節段7至9拱肋施工.為保證結構在施工過程中的安全和滿足結構線形的要求，需在拱肋封鉸和合龍前分別對結構進行2次調整.

吊裝過程中拱肋的穩定性較差，索力調整過大會引起拱肋線形變化較大，從而對結構安全產生影響.由于施工過程中未知因素較多(扣索銹蝕、大風、暴雪等)，為確保結構安全，結合既有施工經驗，將波司登大橋扣索索力調整量確定為2 MN.節段1、3、5采用臨時扣索，下一節段吊裝完成后立即拆除臨時扣索，計算可調域時將節段1和2、節段3和4以及節段5和6分別作為整體.結合上述分析，可以得到波司登大橋索力、線形和應力的可調域，見表1.

表1 拱肋吊裝各節段可調域Tab.1 Adjustable domain of arch rib assembling

3 線形控制

如前所述，波司登大橋在拱肋封鉸和拱肋合龍前需要對結構線形進行調整，下面對2種線形計算進行分析.

3.1 封鉸目標線形

拱肋合龍拆索后的線形應與拱肋一次落架的線形相同，封鉸后拱肋不能繞拱腳自由轉動.為保證拱肋的無應力曲率和長度與一次落架線形相同，封鉸前應按照制作線形對結構線形進行一次調整.如果將誤差帶入下一個控制區間，由于拱腳已經固結，結構的線形和應力無法同時達到理想狀態，將影響下一控制區間結構的安全.

3.2 合龍前目標線形

拱肋合龍時，現場實際溫度通常與設計溫度不同，溫差會對結構線形造成一定影響，因此需要考慮合龍時溫度的影響［14］.拱肋合龍后，結構是超靜定結構，卸除扣索的索力相當于在拱肋上施加一個扣索反力，這個扣索反力會影響拱肋線形.根據分析，可以推導出拱肋合龍前目標線形的計算公式:

式中:Xm為拱肋在工廠的制造線形;Xt為溫度荷載對線形的影響;Xf為扣索反力對線形的影響;Xg為自重對線形的影響;Xc為拱肋合龍前控制線形.

根據索力最優化問題的求解方法［15］，以拱肋節段觀測點的標高建立模型，即可求得最優索力.拱肋合龍前目標線形是扣索索力的函數，而扣索索力又是根據拱肋合龍前的目標線形求得.當扣索根數大于2時，拱肋合龍前的線形有無數組解.波司登大橋拱肋合龍前的目標線形是根據拱肋的實際線形和索力，基于少調整扣索根數和減小扣索索力調整量的原則求解出的拱肋合龍前的最優線形，計算結果見表2.

為使合龍前拱肋達到目標線形，需要對結構進行調整.由于拱肋合龍前受溫度影響、扣索松弛以及扣塔偏位等誤差的影響較大，采用反饋控制法［14］對拱肋狀態進行調整是一種較好的方法.根據扣索時對拱肋線形和應力的實際影響，結合拱肋線形和應力的偏差，可以計算出扣索索力調整量.根據計算出的索力調整量對結構進行調整，如果結構精度仍然不滿足規范要求，則根據反饋控制法再次進行調整.

表2 合龍前的目標線形Tab.2 The goal line before closure m

波司登大橋在合龍前按反饋控制法對結構進行了2次調整，結構狀態即滿足要求.

3.3 拱肋拼裝線形

保證結構的無應力長度、曲率與最終狀態一致，是可調域法施工控制的重點.如果按照拱肋合龍前的目標線形對拱肋進行拼裝，會造成拱肋拼接角度與制作時候角度不一致，在拼接處出現折角.按照制作線形控制當前2節段標高，可以保證安裝時當前2節段拱肋線形與制作線形一致.吊裝過程中，通過調整當前節段和前一節段扣索的索力(圖3)，使當前2節段拱肋處于制作標高上.這種線形控制的優點在于，可以避免拱肋拼接出現折角，從而保證結構安全和線形順暢.

圖3 拱肋吊裝線形控制示意Fig.3 Line control of arch rib assembling

4 控制結果

施工控制方法能否取得良好的效果，需要通過實踐檢驗.波司登大橋(宜賓岸上游)合龍前實測線形數據見表3.

波司登大橋拱肋合龍前標高的最大誤差為34 mm，軸線偏位誤差為32 mm.誤差產生的主要原因:

表3 宜賓岸上游合龍前線形Tab.3 Line shapes for Yibin upstream before closure m

(1)全橋拱肋節段較多，拱肋焊接的收縮量難以控制.

(2)拱圈跨徑和矢高較大，結構整體溫度場復雜，難以控制溫度對線形的影響.

5 結論

(1)實踐證明，可調域法應用于500 m級鋼管混凝土拱橋施工控制是可靠的.

(2)與傳統的施工控制方法相比，可調域法可避免施工過程中諸多因素對線形干擾造成的頻繁調整，減少了結構調整次數，可加快施工進度.

(3)由于拱肋拼裝過程中沒有改變拱肋的無應力線形和曲率，所有拱肋接頭處均沒有增加墊片，保證了結構的線形順暢.

隨鋼管混凝土拱橋跨徑的增大，可調域法控制區間的合理劃分仍需進行深入研究.

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