大跨度鋼管混凝土拱橋施工監控分析研究

范全高 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 緒論

我國拱橋歷史悠久，1990 年建成的跨徑115m 鋼管混凝土系桿拱橋“四川旺蒼東河大橋”標志著國內拱橋由重型結構轉向輕質構造轉折。鋼管混凝土拱橋體質質量輕、跨越能力強，且施工方便、造價相對較低鋼混結構，隨時代的進步、科學技術的提升，該結構迅猛發展，逐步走向世界前列，世界最大跨度的拱橋為主跨552m 的重慶朝天門長江大橋。鋼管混凝土拱橋的施工技術成熟，但結構自身具有拱肋截面結構復雜、架設工藝控制難、內應力多次分配等的特點，因此施工過程中的內力狀態和變形進行監測控制是確保工程安全、質量及耐久性保障條件之一。筆者結合某鋼管混凝土拱橋施工監控的實例，探討鋼管混凝土拱橋施工監控的主要內容與方法。

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋主橋設計飛燕式三跨梁拱組合結構， 跨徑為（39+139+39）m 中承式鋼管混凝土系桿拱橋，橋梁體系由鋼管混凝土拱肋、預應力混凝土主梁、預應力混凝土橫梁、吊桿及橋面系統組成。主跨計算跨徑139m，矢跨比1/4，矢高34.75m，拱軸系數m=1.1 懸鏈線式的拱軸線。

主拱肋截面為啞鈴型，上下管1.1m等直徑鋼管，鋼管壁厚18mm，鋼管內填充C50 微膨脹混凝土，肋高2.8m。拱肋平行間距17.60m，設置5 道鋼管橫撐。主跨系梁等截面箱梁，梁高2.158m，寬22m，邊跨C50 變截面混凝土箱梁，梁高由邊跨支點處2.471m 變至梁拱結合段處5.129m，寬22m；主梁內布設2×26束15- 22（12）φs15.2mm 鋼絞線，鋼束錨下張拉控制應力為0.75fpk。吊桿順橋向間距5.1m，全橋共設42 根吊桿，邊吊桿為85 根φ7mm 鍍鋅高強度低松弛預應力鋼絲組成的鋼束，其余吊桿為73根φ7mm 鍍鋅高強度低松弛預應力鋼絲組成。主橋主墩的拱座與承臺設計分離式實心鋼筋混凝土結構，承臺基礎下采用6 根2m 的鉆孔灌注樁基礎，荷載等級為荷載等級公路- Ⅰ級。圖1 為主橋立面示意圖，圖2 位主跨跨中斷面圖。

圖1 主橋立面示意圖（單位：m）

圖2 主橋斷面（跨中）示意圖（單位：m）

2 施工總體方案概述

圖3 現場勁性支架法施工圖片

施工總體方案采用“先拱后梁”法施工工藝，鋼管拱肋采用方形網格勁性排架法架設，拱肋分為9 節段分節段吊裝就位，整體線形調整，無應力合龍焊接，填充管內混凝土，再逐段吊裝縱橫梁，調整預應力成橋。

3 施工監控意義

本橋屬于多次超靜定結構,成橋拱軸和橫、縱梁線形及吊桿、系桿的張拉力有較嚴的要求,每個節點外力施加的大小、方向、時間及坐標的變化都會影響結構內力的再分配。雖然模擬計算過程中,可以計算出各施工階段的索力、梁體變形及應力分配云圖,但實施過程設計計算參數諸如材料的彈性模量、構件重量、混凝土的收縮徐變系數、施工中溫度變化以及施工臨時荷載條件等與實際參數有所偏差。同時考慮施工過程中支架、模版等臨時設施較多，模擬真實較差，從而容易威脅結構在施工過程中的安全理論計算的吊桿力、線形與實際施工出入較大，只有做到理論與實踐有機結合，逐步在施工中調整理論與實際的偏差同向性，才可以達到設計理念。

系桿拱橋施工監控的關鍵是建立施工監控體系并正確的運作：一方面根據選定控制參數的理論計算值，確定施工監控目標；另一方面，針對實際施工過程中由于種種因素所引起的理論計算值與實測值的差異，采用一定的方法加以控制和調整。本項目通過對桃江大橋主橋進行比較系統的理論分析和現場測試，在充分了解其受力性能和施工工藝以及系統觀測的基礎上，建立合理的分析模型，對施工過程中的結構實施有效控制。

4 標高監控分析

拱橋勁性主拱架設采用了分節段排架架設法，將整個拱肋分為9 節段，架設在鋼管樁排架上，方便焊接，節段編號分左右兩拱，從拱腳至拱頂按樁號大小方向依次編排，如：小樁號側左拱段第2 節段。測點布置在兩節段接口位置附近0.5m 范圍內。

各控制點測量值及實測值

三條箱梁理論線形（設計線形、目標線形和預拱度線形），設計線形由大橋設計單位提供；目標線形則是在設計線形的基礎上，計入活載和長期徐變的作用。預拱度線形的計算要在大橋施工圖中施工階段基礎上進一步細化，考慮施工工藝的變更，臨時荷載的改變等因素，是一個動態的過程，如無特殊變化，目標線形與預拱度線形是一致的。

從上表可得，橋面標高較設計標高偏低，行車道兩側最大值較設計標高低0.046m，行車道中心線最大值較設計標高低0.087m，橋面橫坡較設計值2%小。主要因素推斷為：①橋面橫坡設置不足；②主梁澆筑過程混凝土澆注不到位。總之，主拱標高較設計標高有些許差別，在規范容許范圍內；橋面鋪裝橫坡較設計標準小。線形監控是一項系統工程，除監控單位要準確計算、分析和預測外，還取決于施工方精細施工。

5 應力監控研究

鋼管拱橋應變監測主要是對施工階段的主梁應變監測。通過應變實時監測，根據環境、受力狀態、施工條件等微調應力施加調整主梁受力狀況，控制應變設計理論應力范圍，確保結構的施工安全和質量安全。該項監測貫穿成橋全過程，實時與設計理論線進行擬合。

鋼管拱橋應力監控主要對施工階段的拱肋、主梁應力監測。拱肋主要內容包括邊跨拱腳應力監測、主跨拱腳應力監測，主跨1/4 跨、1/2 跨、3/4 跨拱肋應力監測。應力監測工作主要有施工過程中的實時監測、施工監控計算文件的建立及在施工過程中的實時調整、施控參數在施工過程中依據反饋測試數據的辨識和修正。主橋主梁應力監測的各測試截面上、下緣的混凝土實測應力與理論計算值（按照設計參數取值）的沿程比較結果見圖4～圖6。本報告中應力壓應力為正負值，拉應力為正值，混凝土實測應力值已經扣除混凝土收縮徐變的影響（圖中所示應力監測截面頂緣與底緣應力平均值）。

圖4 主拱腳應力狀態值

圖5 主拱1/4 跨應力狀態值

圖6 主拱跨中應力狀態值

6 結論

施工監測、監控工作要求具有深厚的理論知識和豐富的實踐施工監控經驗，能有效地開展監控工作，對實際施工中提出的各種技術問題和異常情況，能理論聯系實際給出合理解釋及找出內在本質原因，并及時加以有效妥善處理，本橋施工監控根據現場過程動態，實測與理論數據的擬合，達到設計理念狀態，形成以下結論和建議：

①鋼管混凝土組合充分利用材料特性應用于拱橋拱肋大大提升了拱橋的跨越能力和范圍，但其中、下承式結構形式，給施工監測帶來了一定的難度，其中高精度局域測量網、應力計的布設、應變位置選擇都是監控測量系統十分重要的因素；

②鋼結構安裝精定位與合攏、鋼結構線形與定位測量均要求在設計要求的合攏溫度（20℃±2℃）范圍內進行，以確保工程質量（主要是避免溫度附加應力的產生）和可比性（鋼結構線膨脹系數比較大，對溫度特別敏感，進行實踐溫度修正計算）；

③鋼管拱肋內混凝土采用泵送頂升施工，單肢拱肋由兩拱腳至拱頂對稱均衡地一次連續壓注完成。混凝土壓注遵循“逐步成功，逐級加載，外力釋放，間期縮短”的原則，以橋軸線為對稱線，橋兩側對稱加載，嚴格監控施工非均勻對稱加載，避免偏載造成拱軸線移位變形，產生內存應力局部集中；

④飛燕式大跨鋼管預應力系桿拱橋，安裝工序多、工藝復雜，現場施工場地復雜，施工技術難度大，工程質量要求高，施工過程中需嚴格安裝工序和測量控制，同時嚴格接口焊接工藝，都對成橋線形一定關聯影響，必須全局規劃、細節監控、實時擬合調整，最終本橋主拱合龍線形偏差滿足設計及相關規范要求，應力水平與設計理論值較好吻合。