鋼管混凝土系桿拱橋施工分析與施工控制

陳永飛

(高郵市交通運輸局，江蘇 高郵 225600)

0 引言

目前鋼管混凝土系桿拱橋在各項河流建設項目中應用廣泛，該橋梁結構受力準、強度高、造型美觀，內部結構穩定可靠，可適用于部分軟弱地基，節省橋梁建設成本。但從另一個角度而言，橋梁技術含量較高，對施工要求嚴格，施工溫度及荷載變化等都會影響橋梁最終的結構應力，并且拱肋線形成后，很難后續調整。在施工控制方面，針對橋梁的施工控制分為開環控制、反饋控制及自適應控制，其中自適應控制可通過計算分析真實反饋出橋梁施工后的實際情況，對更好施工具有指導性價值。以下就以某河流鋼管混凝土系桿拱橋建設為例(見圖1)，分析施工階段變形、吊桿力、應力等數據，對吊桿成橋張拉力調索進行優化，為施工提供技術支持。

1 鋼管混凝土系桿拱橋施工

1.1 三垛東橋工程

三垛東橋工程河流鋼管混凝土系桿拱橋如圖1所示，其建設不僅需要滿足通車需求，還需要考慮美觀性及橋梁審查意見，橋身為跨徑90 m梁拱體系，屬下承式鋼管混凝土無推力拱橋，主拱橋拱肋為啞鈴型鋼管混凝土，軸線為二次拋物線。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋示意圖

計算橋梁跨徑87.5 m，矢跨比達到1/5，橋梁全寬為20.2 m，弦桿鋼管φ 900 mm，板材厚度14 mm。橋梁拱肋的上下弦鋼管內部灌注C40的補償收縮自密實混凝土，拱肋及拱肋之間設置“一”字型(3道)、“K”字型(2道)桁式橫撐。各個拱肋下部拱腳設剛性系梁，共設置15對吊桿，吊桿之間縱向保持5.3 m間距，吊桿為GJ15-15型拱橋專用吊桿。橋面為連續性混凝土箱梁，下部采用鉆孔灌注樁構建基礎，系桿拱在岸上進行拼裝，浮吊整體吊裝就位。選擇在河岸一側，順河方向平整拼裝場地，進行勁性骨架和鋼管拱的整體拼裝，完成吊桿的安裝，待拼裝完成后利用2臺大型浮吊進行整體吊裝施工；吊裝完成后進行拱腳、拱肋混凝土、系桿混凝土的灌注；中橫梁采用預制后浮吊安裝。

1.2 以有限元模型開展施工分析

有限元模型是建筑施工方面常用的分析技術，在鋼管混凝土系桿拱橋建設中落實有限元分析模型，勁性骨架、臨時橫梁、拱肋以及一些鋼板等，都以空間梁單元模擬顯示出來，拱肋、系梁吊架均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，啞鈴鋼管、吊桿、系梁等位置采取節點彈性進行連接分析。最終系桿拱整體吊裝有限元計算模型達到3 070個節點，共計8 524個單元。

1.3 分析結果

由相關計算結果可知，拱肋及吊掛系統最大組合應力為173 MPa，強度滿足規范要求；起吊鋼絲繩最大組合應力為234 MPa，強度滿足規范要求；吊裝階段最大變形為50 mm，剛度滿足要求。由此可見，系桿拱整體吊裝過程中安全系數較高，能夠保證施工質量。

2 橋梁施工控制措施及效果

2.1 具體施工控制措施

在案例工程建設中，主要采取支架方式安裝施工，先設置橋面系及拱肋，二者形成之后，考慮到后續工序對施工的影響，如吊桿的張力分布、后期結構出現的不同程度變形以及混凝土出現收縮徐變情況，鋼管拱肋合龍建設成形后橋梁基本定型，各種可調整的因素都已經基本固定，此時可采用預先控制和反饋控制相結合的自適應控制方式對橋梁整體施工質量加以控制。自適應控制貫穿在橋梁建設的整個周期中，但是其控制重點還是在施工前期，在施工前對此類鋼管混凝土系桿拱橋所依賴的各項質量影響因素進行詳細分析。

1)應控制好支架的標高，關注支架是否會出現不均勻沉降現象，通過規范施工、強化管理等多種措施，控制好系梁建模的標高誤差。

2)注重保持拱肋拼裝尺寸的合理性和規范性，減少尺寸方面出現的誤差。實際施工及測量時要考慮到溫度變化對測量數據準確性的影響。上述幾項尺寸以及測量等都對鋼管混凝土系桿拱橋的施工誤差起到至關重要的作用。

3)實際施工中雖然誤差可以得到有效控制，但是還是避免不了出現誤差，出現誤差是允許的，只要保證誤差處于不同節段的結構線形誤差精度允許范圍內，就可以不對誤差進行調整。若發現誤差超出控制精度許可范圍，則需要及時對出現誤差的內容進行調整。具體調整可從控制截面的標高入手。

4)鋼管混凝土系桿拱橋和傳統的梁橋、斜拉橋的建設方式截然不同，其施工控制方式也有一定差異。在拱肋合龍之后，橋梁的主拱線形基本確定，無法調整，此時僅能對吊桿作輕微調整，通過對吊桿錨具的螺母絲扣調整，起到對橋面線形的整體調整。對吊桿的調整十分有限，若調整幅度過大很可能對橋梁的結構受力情況造成威脅，導致橋梁出現結構安全問題。故需要確保鋼管混凝土系桿拱橋成橋線形和最初設計的線形盡可能保持一致，按照現場的測試數據以及計算機識別分析數據綜合調整各個參數，各階段的理論計算標高要保證和實際標高基本一致。

2.2 施工控制效果

2.2.1 對吊桿索力的控制效果

系桿拱橋在吊桿張拉階段，為便于施工，減少施工難度，往往分批張拉吊桿。此時隨著吊桿一次次張拉，橋梁自身結構也會發生一定變形，其系梁支承體系也會有所轉換，橋梁內力重新分布。前期張拉的吊索，其索力會對后續張拉的吊桿索力造成影響，后期張拉吊桿也會對已經張拉完畢的吊桿索力有所制約，最終影響橋梁整體的力學性能，嚴重的會導致橋梁的內力狀態和設計產生較大偏差，導致橋梁建設不滿足質量標準。

為避免上述問題發生，在案例鋼管混凝土系桿拱橋建設中尤其注重吊桿張拉的穩定性和協調性，通過對工程現場張拉進行檢查以及對計算機數據進行分析，發現拱肋及系梁的剛度對吊桿張拉有直接影響，在一些跨中長吊桿實際張拉過程中，系梁及拱肋發生一定彈性變形，會損失后期吊桿的張拉力。橋梁拱腳位置的剛度突出，吊桿力會伴隨千斤頂張拉逐漸增加。對調索來說，長吊桿的張拉會導致拱及系梁發生較大的變形損失，而短吊桿的索力也會伴隨張拉變化而變化。故吊桿主動張拉力可以和成橋的恒載力聯系起來，以恒載力為控制目標，對吊桿力進行調整，要求結構線形保持平順，其索力須保持均勻分布。案例橋梁建設的吊桿經過上述處理之后，其各個吊桿索力基本均勻分布，在端部的四根吊桿索力雖然較大，但其受力較為安全，一些短吊桿的索力會受到測算方式差異影響。橋梁絕大部分吊桿索力和成橋的恒載索力相差無幾，符合設計理論，橋梁建設質量滿足要求。

2.2.2 吊桿索力調設完成后的成橋線形分析

案例鋼管混凝土系桿拱橋在建設中其高程水準點控制遺失，故需要測試具體的吊桿位置的豎向相對撓度。測試了1～15個吊桿發生的豎向變形。在最初的設計圖紙中，其要求鋼管混凝土系桿拱橋建設完成之后應保證橋面無相對的豎向變形，但是建設完成后測試發現橋線形存在相對變形，產生的相對豎向變形較小，變形最低位置處于3號、14號吊桿橋面，而其他的豎向撓度則較為接近，考慮到后續測量是在橋面鋪裝層以上完成的，鋪裝層必然存在一定的凹凸不平及測量誤差，故較小的相對豎向變形可以理解為建設完成后橋面線形平順，建設后的線形和設計理論中的計算結果基本一致，符合施工設計質量標準要求。

3 結語

鋼管混凝土系桿拱橋作為一種較為新穎且優勢突出的新式橋梁，其未來應用價值廣泛。按照案例鋼管混凝土系桿拱橋建設步驟，在橋梁建設中持續開展施工，整個過程中拱肋及系梁并沒有發生較大的變形，并且鋼管拱肋應力水平不高，后期建設完成后吊桿安裝也較為合理、安全，滿足施工設計質量要求。