鋼管混凝土拱橋主拱線形誤差分析與探討

許諾 趙藝程 萬川龍

1.四川交通職業技術學院 四川 成都 611130；

2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司 四川 成都 610041

引言

纜索吊裝懸臂拼裝法因具有材料運輸方便、跨越能力大、能夠適用于橋址地形復雜、環境惡劣的深峽谷或深水域等優點，廣泛用于國內建造的鋼管混凝土拱橋。拱肋節段預先在加工廠按照無應力線形匹配制造，再運輸至現場，利用纜索吊裝設備逐節段拼裝直至合龍。為實現拱肋節段無縫拼接，擬安裝的拱肋節段必須沿著已安裝拱肋節段的切線方向進行拼裝。鋼管混凝土拱橋在拼裝過程中，為多點彈性支撐的懸臂梁，拱肋剛度小，主拱節段受到眾多因素的影響產生線形偏差，不僅會增大施工風險，還會影響成拱質量。因此，科學合理的誤差影響因素分析對于主拱線形的精確控制顯得尤為重要。近年來，相關學者在主拱線形誤差影響因素方面開展了大量研究，并取得了系列成果。主拱線形誤差影響因素主要包括拱肋制作長度誤差、拱肋間墊塞鋼板、溫度效應等，本文針對以上主拱線形誤差影響因素進行分析探討。

1 拱肋制作長度誤差

受加工單位制作精度的影響，加工完成的拱肋起點到終點的弧長與理論弧長有一定偏差，這種偏差改變了拱肋弧長即為拱肋制作長度誤差，將會對當前及后續拱肋節段測點的里程與標高產生影響[1]。

如圖1所示，現有i個拱肋節段，各節段根部與水平線的夾角為iα，第i個拱肋節段制作長度誤差為iL，根據幾何關系，可推導出拱肋制作長度引起懸臂端點水平方向與豎直方向的位移偏差滿足式（1）中的關系：

圖1 拱肋制作長度誤差的線形影響

式中：?x——制作長度誤差引起懸臂端水平方向位移偏差；

?y——制作長度誤差引起懸臂端豎直方向位移偏差。

則計入拱肋節段制作長度誤差的懸臂端標高控制點坐標（x’i，y’i）與無拱肋制作長度誤差懸臂端標高控制點的坐標（xi，yi）滿足式中的關系：

可見，拱肋制作長度誤差會導致拱肋懸臂端水平方向與豎直方向產生位移偏差，位移偏差大小不僅與制作長度誤差相關，還與當前拱肋節段根部與水平線的夾角以及下一拱肋節段根部與水平線的夾角密切相關，并且各個拱肋節段間的制作長度誤差會逐漸累積。在里程上的誤差會穩定傳遞至后續安裝的拱肋節段；標高誤差會隨著拱肋節段端頭水平角度的減小而逐漸衰減。當某一拱肋節段存在制作長度誤差時，后續拱肋節段安裝時都應考慮制作長度誤差對拱肋線形產生的影響。

2 拱肋間墊塞鋼板對主拱線形的影響

鋼管混凝土拱橋通常采用法蘭盤進行主拱節段的連接，當法蘭盤面板不平整或加工有偏差時，會使主拱節段間產生折角而出現不密貼的情況；或是施工人員將扣索張拉后的高程誤認為是切線拼裝高程，在主拱節段間出現了上張口和下張口，此時只能在節段間墊塞鋼板，使拱段接頭密貼[2]。

如圖2所示，截面高度為h的主拱，產生寬度為δ的張口（墊塞鋼板厚度），節段間產生的微小轉角φ滿足式（3）中的關系：

圖2 主拱節段間墊塞鋼板的線形影響

對圖2（b）中的上張口，將已安裝節段懸臂端截面下緣B'作為旋轉點，待安裝節段懸臂端截面中心C'點水平方向位移和豎直方向位移滿足式（4）中的關系。

相對于主拱截面高度，墊塞鋼板的厚度δ很小，即，因此cosφ≈1，sinφ≈φ。

同理，對圖2（c）中的下張口段，以已安裝節段懸臂端截面上緣B''為旋轉點，待安裝節段懸臂端截面中心點C''水平方向位移和豎直方向位移'滿足式（5）中的關系：

式中：L1、L2——已安裝節段懸臂端旋轉點到待安裝節段懸臂端中心點的長度；

α1、α2——直線L1、L2的水平傾角；

?XEC、?YEC——直線L1、L2的水平投影長度、豎直投影長度。

綜上所述，墊塞鋼板后會在拱肋節段間產生轉角，從而引起后續安裝的所有節段產生標高誤差及里程樁號誤差，并且墊塞鋼板位置與后續安裝拱肋節段標高控制點距離越遠，拱肋節段截面高度越大，墊塞鋼板引起的高程誤差越明顯。因此，施工過程中應謹慎使用鋼板墊塞拱肋節。

3 溫度效應

鋼管混凝土拱橋拱肋節段拼裝過程經歷時間長，受日照、風力、海拔等因素的影響環境溫度變化大，環境溫度的升高與降低會引起扣索伸長或縮短，進而影響主拱安裝高程；日照作用下，受到日照直射的一側拱肋將會產生更大的伸長變形，主拱上下游拱肋產生變形差，引起主拱軸線產生橫向偏差。為了減小溫度效應對主拱安裝線形的影響，施工過程中，通常選取溫度相對比較穩定的清晨或傍晚調整主拱線形；針對無法避免的季節溫差，必須計入溫差對主拱線形的影響，首先，通過線性插值的方式確定主拱線形變化量，然后再修正拱肋高程的預抬[3]。

4 結束語

鋼管混凝土拱橋主拱懸臂拼裝過程中，拱肋制作長度誤差、拱肋間墊塞鋼板、溫度效應都會導致拱肋節段里程樁號及標高產生一定偏差。這些誤差一旦產生，若不及時調整，隨著后續拱肋節段的安裝，都會不斷積累，最終導致成拱線形嚴重偏離目標線形。因此，每個拱肋節段拼裝時，技術人員應嚴格監控拱肋節段的高程，一旦發現拱肋安裝高程與理論值不符，應及時查明誤差產生的原因，有針對性的采取措施調整安裝線形。