开口薄壁箱转体拱桥施工控制的关键技术

钟 伟

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司试验检测中心)

开口薄壁箱转体拱桥施工控制的关键技术

钟 伟

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司试验检测中心)

摘 要:以贵州花江大桥为工程背景，根据混凝土开口薄壁截面转体拱桥的施工控制特点，论述了该类型桥转体施工控制的结构计算分析、转动体系重心位置计算、索力的确定、背墙及上转盘的受力安全、开口薄壁拱肋的受力和变形以及稳定性分析、现场施工监测的实施、磨心和磨盖的施工监测等关键技术。为同类型桥梁的施工控制提供了有利的参考。

关键词:施工控制;混凝土拱桥;转体施工;开口薄壁

1 工程背景

花江大桥位于贵州S210线上，跨越北盘江，主桥结构为上承式普通钢筋混凝土箱形拱桥，净跨140 m，净矢高28 m，净矢跨比1/5，拱轴系数m=1.998。主拱圈是等截面悬链线单箱三室箱形拱结构。为了减轻转动体系重量，主拱圈混凝土分成两期浇筑，一期混凝土在岸上现浇为开口薄壁箱拱，侧壁和底板基本均为10 cm，待拱圈转体合拢成拱后再补足侧壁和底板至设计厚度25 cm并且浇筑拱圈顶板。转动体系由开口薄壁箱拱肋、交界墩背墙、扣背索、磨心、磨盖、倒椎体、上转盘、下转盘组成。其理论设计质量约3 800 t，为有平衡重的转体施工桥。

2 转体施工控制的关键

2.1 结构建模计算分析

2.1.1 花江大桥静力模型的分析处理

由于该转体施工拱桥各结构的受力、空间位置和传力体系的复杂性，运用通用有限元软件Midas对整个转动体系进行静力分析建模时，应作一些合理的简化处理，并最大程度地确保简化后的模型重量、刚度不变以及边界条件的合理性。

(1)扣索的模拟。

扣索的模拟一般可采用三种方法。

①曲线索单元法

当扣索较长时，扣索在自重作用下形成的悬链线可用一个或多个曲线索单元来模拟，其刚度矩阵可由拉格朗日插值函数或多项式并考虑扣索在节点上的位移关系来确定。

②分段直杆法

将扣索当作多段弹性直杆单元来模拟，即用分段的铰接杆来离散扣索，扣索的自重和外荷载作用在节点上，杆的轴向刚度需要考虑重力刚度。

③等效弹性模量直杆单元

用考虑垂度效应影响的有效弹性模量的直杆单元代替实际的扣索，其等效的弹性模量可采用Ernst公式计算。

采用第三种方法对钢绞线扣索进行模拟，并结合花江大桥扣索的基本参数，计算该桥扣索的等效弹性模量。等效弹性模量Eeq的公式如下:花江大桥扣索由48根Φ15.24的钢绞线组成，其弹性模量为1.95×105MPa，为了简化建模，根据截面面积和刚度等效的原则将实际48根扣索等效为8根，即每列6根简化为1根，等效弹性模量Eeq的表达式如下:

式中:E为不考虑索垂度影响的弹性模量，即索的实际弹性模量，kPa;σ为索的应力，kPa;l为索的水平投影长度，m;γ为索的容重，kN·m-3。

考虑垂度效应影响后，由以上公式计算得出扣索的等效弹性模量为1.94×105MPa，与等效换算前相比相差仅0.5%，变化微小，因此，该桥当中扣索的垂度效应影响可以忽略不计，扣索的模拟可选用能反映该结构受力特性的空间桁架单元，所选的桁架单元不仅能模拟扣索的预应力张拉，而且由于桁架单元的单元形式比较简单，也便于模型的计算。

(2)扣、背索与结构锚固端的处理。

为保证结构分析的精度，必须对扣、背索锚固点准确定位，建模时扣、背索与其相应结构的锚固端节点并不一定重合，需采用刚臂连接的方式对其相应位置的节点进行耦合。扣索的模拟由于将每列6根简化为了1根，简化后应注意扣索在拱肋的锚固点位置，为实际扣索合力作用点的中心位置，确保扣索的水平倾角与设计一致，不能为了简化而直接锚固在腹板节点上，并应保证扣索的平行，不产生横向偏心弯矩;扣索的建模简化不当对结构的分析计算将会产生较大的影响，因此需特别注意。

(3)拱肋与上转盘实体连接的处理。

由于建模时拱肋和上转盘分别采用厚板和实体单元进行模拟，节点位置并不一定能刚好重合，因此拱脚处板单元与上转盘实体单元采用刚臂联接，用来耦合节点的自由度，节点耦合的范围应与实际拱肋的板厚相吻合。

(4)钢筋笼、型钢骨架横隔板的处理。

在进行静力分析时，为了简化建模，将型钢骨架横隔板、钢筋笼等效为节点荷载施加于模型对应位置上，然后分别对转体结构各个部分的模型进行自重检验，需满足精度要求。

(5)拱肋支架的处理。

为了分析转体结构在整个张拉脱架过程的受力状态，采用只受压单元来模拟满堂支架对开口薄壁拱肋的支撑作用，该类单元受拉时自动与拱肋脱开，受压时才起到支撑作用，能较好的模拟结构实际受力状态。

2.1.2 花江大桥稳定性模型的分析处理

考虑到结构的实际特点以及拱结构的稳定特征，运用空间有限元软件ANSYS对该桥转体结构体系张拉脱架后进行稳定性分析建模，对拱肋进行稳定性分析时，考虑到背墙水平回弹位移较小，且背墙作为一个配重的实体结构，相比开口薄壁拱肋而言，并非失稳研究的主体，因此仅建立“扣索—拱肋”体系模型。将钢筋笼和型钢骨架横隔板按实际位置建模，不再按节点荷载等效;扣索在背墙的锚固端以及拱脚的边界条件均采用固结;其中扣索采用单元Link10模拟，拱圈的腹板、底板、混凝土横隔板均采用Shell63单元模拟，钢筋笼采用 Link8单元模拟，型钢骨架横隔板采用Beam44单元模拟。

2.2 转动体系重心位置计算

转动体系由扣、背索、半拱肋、上盘、背墙组成，其重量约为3 800 t。转体时，转动体系仅是在下盘磨心球面的支撑下进行水平转动，无任何其它的支撑点。因此，要确保转体施工的安全并防止结构整体倾覆，就必须正确计算转动体系的重心位置以便严格控制其偏心状态。且这项工作必须在结构实施转体施工之前完成。

配平衡重转体桥的重心位置计算可根据弯矩等效原则，运用Midas进行建模分析，并依据内力计算结果把转体系统的重心位置换算出来，再根据这个结果调节平衡配重重量，以确保重心位置始终落在磨心上。

由于转动体系构造十分复杂，上述计算过程就会十分繁琐，所以必须保证计算的精度，以免遗漏和错算，并且要与施工单位和设计单位的计算结果进行校核，对产生误差的原因进行仔细分析，直到误差满足要求。

2.3 索力的确定

转动体系张拉脱架阶段的扣索索力至关重要，扣索合力的大小对开口薄壁拱肋的内力和拱轴线型有较大的影响。它的大小直接关系到扣索数量的确定和主拱圈线形的控制，由于背索索力由扣索索力决定，在求出扣索索力后，利用扣索，背墙，背索三者的平衡关系即可求出背索索力。因此精确的计算出扣索索力的大小是关键。

2.4 背墙的受力安全

本桥转动体系中交界墩背墙的高度达到32 m，它不仅转动体系的配重结构，而且还是扣索的锚碇反力墙，为了平衡扣索的水平力，在交界墩背墙顶部和上转盘尾部间还设有背索，背墙不仅体积尺寸大，更是结构受力复杂，是转动体系结构中的关键构件，因此分析其转体张拉脱架过程中的受力安全非常必要。主要从以下几方面进行分析:(1)验证扣、背索分级张拉顺序的合理性，以及扣、背索分级张拉原则的问题;(2)背墙预应力张拉效应的问题，即对背墙受力安全的敏感性进行分析的问题。

2.5 上转盘的受力安全

上盘在施工时承受拱圈、背墙、背索等外力的作用，并通过磨心、磨盖的球铰实现平转，受力十分复杂，因此，需对其进行受力分析，为现场施工控制提供理论参考。上转盘受力的最不利阶段为扣、背索索力张拉到位后，形成磨心、磨盖单点支撑的受力转动体系时，因此重点对该最不利工况进行受力分析。

2.6 开口薄壁拱肋的受力及变形

开口薄壁拱肋受力安全的问题主要在于结构转体张拉脱架阶段，拱肋在此工序前还是由各自的支架支撑，只有当张拉索的拉力张拉到设计吨位、拆除拱圈及上转盘的支撑架后，拱圈、背墙、上转盘的重量全部由磨心承担，转动体系才能形成。在此过程中主要存在以下一些影响结构安全的问题:(1)拱顶扣点的合理锚固区域问题;(2)扣索张拉力的变化对拱圈受力及变形的影响问题;(3)温度对索变形的影响从而引起拱肋受力及变形的安全问题;(4)转体施工过程中动力效应对拱圈受力影响的问题。

2.7 开口薄壁拱肋的稳定

桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全性能，它与桥梁结构的强度有着同等甚至更重要的意义。现在，桥梁结构的稳定性已逐渐引起人们的重视，但人们主要注重的是桥梁建成以后的稳定性，而对施工过程中可能出现的失稳问题还没有引起相对重视及可靠的监测手段，尤其是随着桥梁跨径的不断增大，受动荷载或突发情况的影响，还没有快速反应系统，目前主要是通过提前进行稳定分析计算，并结合结构应力、变形情况来综合评定和控制桥梁结构的稳定性。

对于贵州花江大桥，在结构脱架形成转动体系后，由于是磨心单点支撑的受力形式，并且拱肋处于最大悬臂状态，此阶段结构的稳定问题最为突出，结构的稳定问题直接影响到转体施工过程的安全，因此，要确保大桥在转体过程中结构处于安全状态，就必须对该阶段结构的稳定性进行分析，弄清影响结构稳定性的因素并加以重点监控。

2.8 现场施工监测的实施

(1)位移监测。

位移监测的目的是弄清结构在外力作用下的结构实际几何形态，它包括拱肋、上盘顶和背墙顶的变形，从而为转体施工控制提供依据。

待平转基本就位时，即采用点控，校正轴线，反复微调直至满足设计精度。两岸拱肋平转到位之后，还将可能出现两岸拱肋端头水平、竖直及扭转错位的情况，因此还应对其进行调整以满足合拢精度。其具体措施有:用大吨位千斤顶顶升上盘，调整两拱肋呈现水平状态;两拱肋之间上下交叉拉钢丝绳，调整拱肋扭转错位。

(2)应力监测。

关键部位应力监测是通过有效的测控方法，并借助高精度的测试仪器，测出转体各关键截面的应力值，为转体施工的各阶段提供控制数据的实测值，并将其与理论值进行对比分析，对成桥状态进行动态预测与分析，避免在施工中出现过大应力而危害结构，确保转体施工的安全。应力监测主要分为六个阶段:①拉索张拉过程中;②拉索张拉至设计值稳定后;③拱圈完全脱架后;④转体前;⑤合龙前;⑥二期混凝土浇筑过程中。

(3)索力监测。

扣索合力的大小对拱圈的内力和拱轴线有较大的影响。此外，扣索的合力与开口箱底板的距离对转体阶段开口箱底板的内力影响较大，特别是拱顶锚板段附近，因此必须对扣索的张拉力大小实行测量控制。并且背墙、半跨拱肋在此工序前还是由各自的支架支撑，只有当张拉索的拉力张拉到设计吨位、拆除拱圈及背墙的支撑架后，拱圈及背墙重量由磨心承受，转动体系才能形成。为使转体过程中拱肋受力状态的合理和安全，要求实际索力与设计索力的误差控制在容许范围之内，保证拱圈在转体过程不会扭坏。

(4)拱肋二期混凝土浇筑过程的监测。

为了减轻转动体系的重量并且考虑到经济上的要求，花江大桥的转动体系的拱肋采用的是开口薄壁截面。当转体合拢后浇筑拱肋二期混凝土与顶板混凝土时，开口薄壁拱肋作为承重结构，由于受到新浇混凝土的荷载，其线形和应力状态将发生重大改变。为了确保在此期间拱肋结构的稳定性和安全性，在二期混凝土浇筑过程中对大桥进行线形、应力监测，确保施工期间结构安全，并为相关科研提供相应的实测资料。

2.9 磨心、磨盖的施工监测

磨心、磨盖的施工精度直接关系到转体施工的安全与平稳，尤其应注意的是，磨心施工决定了磨盖施工的精度，因此须重点控制好磨心施工的精度。为此，须对磨心轴垂直度、磨心平整度进行监测，磨心轴垂直度在两个平面内都进行检测(见图1)。磨心表面上的测点是选取同心圆上的点，要求同心圆上的测点等高，同心圆半径的间距15 cm，测点的间距约20 cm，每个同心圆上的测点高差不大于1 mm。

图1 磨心轴垂直度检测示意图

3 结论

通过贵州花江大桥的顺利转体合拢及最后顺利建成通车的施工结果表明，针对该类桥施工控制的结构计算分析、转动体系重心位置计算、索力的确定、背墙及上转盘的受力安全、开口薄壁拱肋的受力和变形以及稳定性分析、现场施工监测的实施、磨心和磨盖的施工监测等关键技术的施工控制是行之有效的，达到了预期的效果。为以后同类型桥梁的转体施工及控制提供了有利的参考。

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中图分类号:U445

C

1008-3383(2011)06-0182-02

收稿日期:2011-04-11

作者简介:钟伟(1982-)，男，湖南益阳人，硕士，研究方向:桥梁结构分析与工程控制。