鋼管混凝土拱橋無(wú)應(yīng)力狀態(tài)施工控制技術(shù)

沈立中 張?zhí)餃?/p>

摘? ? 要：鋼管混凝土系桿拱屬于無(wú)推力結(jié)構(gòu)，有明確的傳力路徑，是一種自架設(shè)結(jié)構(gòu)體系，但結(jié)構(gòu)施工過(guò)程相對(duì)較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中拱肋分段線形、橋面線形及吊桿索力是其主要的控制目標(biāo)，而常規(guī)采用倒裝分析、正裝分析、正倒裝交互迭代的控制方法實(shí)現(xiàn)成橋理想狀態(tài)，但分析及實(shí)施過(guò)程較為繁雜。本文以飛云江大橋?yàn)槔捎脽o(wú)應(yīng)力狀態(tài)法施工控制原理，對(duì)鋼管混凝土系桿拱合理成橋狀態(tài)下的拱肋、吊桿進(jìn)行無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算，并應(yīng)用于拱肋及吊桿安裝控制等施工流程，使結(jié)構(gòu)施工控制更加明了清晰，大大減少計(jì)算及施工工作量。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土系桿拱;施工控制;無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法;橋梁線形;無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

1? 引言

鋼管混凝土拱橋的施工控制主要是指在施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的安全和主要構(gòu)件（拱肋、吊桿、系梁等）的內(nèi)力、線形控制[1]。根據(jù)正常施工工序拱肋最早形成，裸拱形成后拱軸線基本確定且不易調(diào)整，因此裸拱線形是拱橋施工控制過(guò)程中的關(guān)鍵因素之一，其次是對(duì)吊桿內(nèi)力及橋面線形的控制。

無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法的核心原理[2]：橋梁結(jié)構(gòu)只要確定最終成橋無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量（無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和曲率）、外部荷載及邊界條件，則最終成橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程無(wú)關(guān)。（即保證結(jié)構(gòu)成形過(guò)程中所有構(gòu)件都能實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力安裝，則最終成橋的線形與內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求一致）。該原理較多的應(yīng)用于斜拉橋，近年來(lái)逐步擴(kuò)展至拱橋結(jié)構(gòu)中，不過(guò)應(yīng)用于鋼管混凝土系桿拱橋中的文獻(xiàn)較少[3]。本文以飛云江大橋?yàn)楸尘埃?shù)值仿真模型，研究無(wú)應(yīng)力線形、吊（系）桿初始張拉力及無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，為此類橋梁施工控制提供依據(jù)。

2? 工程概況

飛云江大橋主橋全長(zhǎng)100m，寬12m，公路等級(jí)為高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h。采用鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，拱軸線為二次拋物線，拋物線方程為y=（4/5-2x/245）×x，矢跨比為1/5，矢高19.6m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，截面高240cm。

全橋四道K型風(fēng)撐，風(fēng)撐采用圓形鋼管。共設(shè)18對(duì)吊桿，吊桿采用19Φs15.2mm鋼絞線（Strand1860）制作。

3? 鋼管混凝土拱橋無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的確定

3.1? 拱肋的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

鋼管混凝土拱橋拱肋作為結(jié)構(gòu)重要組成部分，其成型后線形能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，基本說(shuō)明建設(shè)已成功一半。拱肋架設(shè)的重要控制指標(biāo)就是確實(shí)理論線形，并以此保障拱肋加工尺寸的合理、準(zhǔn)確。

影響拱肋線形的主要因素主要有溫度、節(jié)段間焊縫收縮、外荷載三方面[4]。根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法原理，環(huán)境溫度作為臨時(shí)荷載雖會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力、幾何長(zhǎng)度的變化，但不會(huì)引起構(gòu)件無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度變化，因此只要確保安裝時(shí)環(huán)境穩(wěn)定恒定即可;焊縫收縮屬于材料固有特性所產(chǎn)生的影響，與混凝土收縮徐變性質(zhì)相同，一般在工廠預(yù)制時(shí)消除該影響;外荷載影響指在外荷載作用下拱肋將產(chǎn)生的變形，根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法，只需計(jì)算拱肋成型后外荷載作用下的變形量，在設(shè)計(jì)線形基礎(chǔ)上進(jìn)行反向疊加即可，即預(yù)拱度設(shè)置。

對(duì)于鋼管混凝土系桿拱而言，拱肋外荷載變形量主要有以下幾方面：（1）裸拱自身重量引起的變形量Δ1;（2）管內(nèi)混凝土澆筑引起的變形量Δ2;（3）其他恒載（吊桿、系梁、橋面板、橋面鋪裝等）引起的變形量Δ3;（4）混凝土收縮徐變引起的變形量Δ4;（5）一半設(shè)計(jì)活載引起的變形量Δ5。將上述變形量進(jìn)行疊加形成總變形量s。

本橋依上述步驟對(duì)飛云江大橋橋跨1/8、1/4、1/2處拱肋進(jìn)行計(jì)算求得變形量見(jiàn)表1。

本節(jié)分析了拱肋無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的影響因素，通過(guò)分階段模擬施工階段外荷載作用下的拱肋變形量，并以此作為預(yù)拱度有效指導(dǎo)工廠制作。

3.2? 吊桿的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

準(zhǔn)確計(jì)算鋼管混凝土系桿拱成橋狀態(tài)下吊桿的目標(biāo)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形有至關(guān)重要的影響。鋼管混凝土系桿拱吊桿長(zhǎng)度不大，可以不考慮非線性效應(yīng)的影響，因此通過(guò)受載前后吊桿兩端位置變化來(lái)計(jì)算吊桿長(zhǎng)度變化量。

通過(guò)上述計(jì)算并以橋面位移控制法可獲得恒載作用下吊桿的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，同時(shí)應(yīng)考慮計(jì)入混凝土收縮徐變及活載影響后對(duì)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度進(jìn)行修正，確定最終合理成橋狀態(tài)的吊桿目標(biāo)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。

混凝土收縮徐變主要在成橋十年內(nèi)完成，通過(guò)midas軟件模擬后拱肋及橋面系位移如圖4所示。

通過(guò)上圖可知在混凝土收縮徐變作用下拱肋和橋面均有不同程度的變形，以恒載作用下的吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度為初始值進(jìn)行迭代分析，以橋面位移量接近零為目標(biāo)，確定吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度修正值。

通過(guò)midas軟件模擬后拱肋及橋面系活載效應(yīng)下位移如圖5所示。

活載效應(yīng)下的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度修正方式與收縮徐變修正方法相同，主要通過(guò)計(jì)算1/2活載效應(yīng)下橋面各控制節(jié)點(diǎn)的位移值，并反向設(shè)置成預(yù)拱度，更新橋面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)提取施工階段混凝土收縮需百年下的桿件內(nèi)力及位移信息，得到活載影響下的吊桿無(wú)應(yīng)力修正值，即吊桿目標(biāo)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。

確定目標(biāo)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度后即可確定橋面系的最終預(yù)拱度，并以此更新橋面坐標(biāo)，同時(shí)在施工階段施加恒載中刪去吊桿初拉力荷載進(jìn)行計(jì)算分析，檢驗(yàn)橋面在收縮徐變及活載效應(yīng)下的總位移值是否回落至設(shè)計(jì)線。

參照上述方法，通過(guò)合理調(diào)整全橋位移即可避免因吊桿間相互影響導(dǎo)致吊桿張拉力反復(fù)調(diào)整的麻煩，施工過(guò)程中只需要根據(jù)實(shí)際需要分階段控制吊桿的拔出量或回縮量即可，最終成橋階段張拉至目標(biāo)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度即能確保成橋狀態(tài)下的位移及內(nèi)力符合預(yù)期。

4? 成橋狀態(tài)橋梁實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1? 成橋狀態(tài)實(shí)際吊桿內(nèi)力值

通過(guò)上表可知，在無(wú)應(yīng)力控制法下吊桿內(nèi)力相對(duì)誤差控制在±5%以內(nèi)，滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

4.2? 成橋狀態(tài)實(shí)際橋面線形

通過(guò)上表可知，橋面實(shí)際標(biāo)高與理論標(biāo)高誤差在±20mm以內(nèi)，符合規(guī)范要求。

5? 結(jié)論

本文以飛云江大橋?yàn)楸尘埃ㄟ^(guò)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法控制原理對(duì)全橋施工過(guò)程進(jìn)行分析及控制，取得成果有：

（1）分析了拱肋無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的影響因素，通過(guò)分階段模擬施工階段外荷載作用下的拱肋變形量，并以此作為預(yù)拱度有效指導(dǎo)工廠制作。

（2）應(yīng)用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法，通過(guò)橋面位移控制，合理確定橋面預(yù)拱度及吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要分階段控制吊桿的拔出量或回縮量，最終成橋階段張拉至目標(biāo)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度即能確保成橋狀態(tài)下的位移及內(nèi)力符合預(yù)期。

（3）通過(guò)飛云江大橋成橋?qū)崪y(cè)結(jié)果及理論進(jìn)行對(duì)比分析，各指標(biāo)誤差均在可控范圍內(nèi)，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法可應(yīng)用于鋼管混凝土系桿拱施工控制中。

參考文獻(xiàn)：

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