某特大鋼管混凝土拱橋吊裝施工監控關鍵參數探討

顏炳玲 張曉鵬 張文華 王春健

(內蒙古交通職業技術學院，內蒙古赤峰024005)

1 橋梁施工監控的意義

施工監控是對施工過程中的各項結構參數進行嚴格的監測和調控，確保系統處于可知可控狀態,并保證施工安全并按預期進行，根據有限元軟件計算，通過一定的技術監測方法對各關鍵截面在各個施工階段的位移變化和受力情況進行分析對比修正計算，準確設置預拱度值,避免積累誤差,得出各施工狀態的結構內力控制及線形控制數據，從而指導下工序、節段施工，保障橋梁在整個施工過程中及成橋狀態的內力和線形，從而有效的控制橋梁結構的狀態。

目前常用的鋼管混凝土拱橋的施工方法可分為如下幾種：支架施工法、轉體施工法、千斤頂斜拉扣掛懸拼架設法、纜索吊裝施工法。纜索吊裝由于具有跨越能力大,水平和垂直運輸機動靈活,適應性廣,施工比較穩妥方便等優點,在拱橋施工中被廣泛采用。這種施工方法需在施工時對主纜受力和垂度進行精確控制,一般在施工控制計算時采用前進法確定主纜最終的受力狀態,以及各段拱肋吊點位置的坐標然后再用倒退分析法確定各段拱肋在吊裝時的吊點抬高量,目的是使最后一段拱肋吊裝到位時,其他各拱肋段均在設計坐標值的位置附近,以便使拱肋合龍時,調整各段坐標值的工作量最小,并使成橋后的拱軸線與設計拱軸線相吻合。

2 工程概況及吊裝方案設計

某特大橋橋梁全長545.54 m，主橋為1- 430 m鋼管混凝土拱橋，橫跨峽谷，該峽谷兩岸懸崖陡立，相對高差755 m，谷底寬30 m，地形復雜，施工條件極為困難。主橋拱跨430 m，主拱圈斷面采用鋼管混凝土與鋼管組成的桁架式斷面，拱肋寬度為4.0 m。主拱圈鋼管外徑1 200 mm，拱肋鋼管內泵送填充C50高強混凝土，拱上立柱蓋梁采用加勁鋼箱結構。

主拱肋吊裝利用無支架纜索起重機起吊，采用無塔架扣掛體系雙肋整體起吊的組拼方式，主拱線形較易控制,兩岸引橋橋面作為拼裝平臺。利用交界墩蓋梁頂現澆塊作為扣索錨梁，利用兩岸橋臺作為錨索錨梁。

吊裝系統主要由纜索、扣墩、扣錨索和錨碇組成。纜索根據現場施工地形條件,本方案設計時考慮不用吊塔,主纜索直接錨固在巖錨上。這樣既可以減少吊塔用萬能桿件、塔頂型鋼分配梁等鋼材數量,又可以不用索鞍,從而節約施工成本。

扣墩及錨梁利用交界墩作為扣塔,用交界墩蓋梁頂現澆塊作為扣索錨梁,布設扣、錨索。交界墩采用雙柱鋼筋混凝土薄壁空心墩,墩身采用30號混凝土。扣、錨索因施工場地不允許布設卷揚機,扣、錨索不可能采用鋼絲繩,因而均采用鋼絞線。錨索的錨旋采用巖錨并利用兩岸橋臺臺身作為錨梁,臺前和臺后兩面分別錨固巖錨錨桿和錨索,大大方便了施工。

主拱肋構件均采用節點板高強螺栓連接,在工廠加工并進行預拼,以散件運抵橋梁現場,在拼裝平臺上復拼為大節段后吊裝就位,大段接頭及桿件節點均采用“先栓后焊,栓焊結合”的原則連接,即管內端部設法蘭盤,采用高強螺栓連接,管外沿接縫圍焊一周。在拱頂設60 cm的合龍段。拱上立柱和立柱蓋梁采用加勁鋼箱結構,全橋拱上立柱共計40組,在工廠加工為整體梁,運至現場吊裝。

3 施工監控的工作要求

本橋屬于大跨徑鋼管混凝土拱橋，在施工過程中的每一環節中，需嚴格保證各個構件的內力、截面應力均不得超出規范規定值。大跨度上承式鋼管混凝土拱橋的施工監控就是在滿足結構穩定性的要求下，對橋梁施工各個環節主要控制參數進行計算，形成參考數據，指導下一階段施工，對結構幾何變形、應力進行雙控，使成橋線形和內力符合設計要求。

3.1 受力要求

主要進行應力監控。鋼管混凝土拱橋主拱圈截面的應力和吊桿張拉力的監測來了解實際應力狀態。通過吊桿張拉力制定張拉方案(主要包括張拉順序和張拉次數)，結構應力失控的狀況不易暴露，出現問題，將會嚴重破壞結構，這不但關系到了橋梁成橋使用階段的安全和使用，同時也密切關系到施工過程的安全。

3.2 線形要求

拱橋在施工過程中存在各種不可控因素，如混凝土收縮、徐變特性、施工荷載的變化、溫度的變化等會造成橋面線形出現起伏，導致拱肋對中合龍出現困難，并且造成結構的局部內力出現異常。線形控制主要是監測主拱圈軸線的線形誤差和控制點標高，并隨時進行調整，使橋梁的成橋線形符合設計要求。

3.3 指導糾偏

利用監測數據，指導糾偏、調整。大跨橋梁的施工控制需要在施工階段不斷的進行誤差識別和參數修正,實測每個施工階段鋼管拱肋的標高及軸線位置以反映結構的真實狀態,并更好的指導后續階段的施工,必須采用適應現代控制理論的要求的優化計算。可通過張拉扣索、風纜、修正管內混凝土灌注方案和順序進行調整。

4 施工過程仿真計算及施工監控流程

4.1 施工過程仿真計算

采用有限元分析軟件建立空間有限元模型,選定合理的計算方法確定結構受力和變形的理想狀態,進行主拱圈吊裝施工階段數值仿真分析,確保施工過程中結構的受力狀態和變形始終處在安全范圍內,合龍后結構受力處于最優狀態，成橋后的拱肋線形符合設計期望,實現對大跨度鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝預測和施工模擬。

施工過程計算包括以下內容：

1)空鋼管安裝各階段(吊扣、合龍、松扣等階段)內力、應力、撓度及安裝標高計算；

2)灌注鋼管混凝土過程各階段內力、應力、撓度計算；

3)安裝拱上立柱、蓋梁、橋面系等各階段，鋼管混凝土拱肋的內力、應力、位移計算；

4)各階段扣、錨梁受力分析；

5)根據施工過程隨時進行的控制計算；

6)其他必要的計算。

4.2 施工監控流程

鋼管混凝土拱橋施工過程的影響因素較多，而且要經歷階段施工和體系轉換等工序，由于混凝土的收縮徐變、拱段的重量、軸線偏位、施工荷載和扣索張拉力等因素，會導致線形偏離。對應不同的橋梁結構、具體監控對象和施工方法，應采用不同的施工監控方法。目前通行的橋梁施工監控方法有：開環控制法、閉環控制法、自適應控制法、最大寬容度法等。本橋梁的施工控制流程圖見圖1。

橋梁結構在各階段施工時，由于實際的施工各種條件與設計階段的理論條件有偏差，會導致線形和內力偏差，運用適當的誤差分析理論，對設計參數進行修正。對識別參數進行理論計算，為橋梁施工中準確的提供預測參數，進行施工控制過程的預測。

5 施工控制中應該引起注意的問題

1)立柱預偏量設置。在主拱圈合龍完成后，隨著立柱及橋面荷載的不斷增加，主拱圈標高發生變化，這時導致立柱會隨之發生一定的傾斜。這就要求立柱安裝時必須設置一定的預偏量，預偏量根據立柱安裝前到施加橋面荷載后，立柱位置處所發生的轉角來確定。達到成橋后立柱處于豎直的位置。

2)根據計算拱肋吊裝過程中的穩定狀態，設置足夠數量的纜風繩，保證吊裝過程的穩定性。

3)風荷載測試。在大風來到時，測試鋼管的應力情況，保證施工安全。