浅谈上承式系杆拱桥的施工控制

邹晓峰 邵伯贤

（1.江苏东南交通工程监理咨询有限公司 南京 210018；2.江苏省镇江市路桥工程总公司 镇江 212017）

1 施工控制的内容和目标

横五路蒿东河结构体系复杂，主桥系杆和拱肋采用支架节段施工，存在体系转换，设计与施工高度耦合。在施工阶段随着结构体系和荷载状态的不断变化，结构内力和变形也随之不断变化，并决定成桥后结构的受力及线形。因此必须对桥梁的每一施工阶段进行详尽的分析和验算，求得结构位移以及结构内力等施工控制参数的理论计算值，对施工的顺序做出明确的规定，并在施工中加以有效的控制。预应力混凝土系杆受力复杂，同时又是整个桥梁的生命线，通过实测手段可更加准确地获得系杆的受力。且系杆与基础相互作用复杂，同时给系杆施加的预应力存在承台基础与系杆之间分配的问题。所以通过监控可实时获得系杆的受力，保证系杆在整个施工过程中受力的可控性、安全性。另外本桥设计区别于其他拱桥的特点在于：①拱桥实际合龙温度与理论计算温度存在偏差时，需通过内力调整措施（如千斤顶顶推）以消除该偏差对结构受力的影响［1］；②设计在系杆近承台处预留合龙段，考虑千斤顶水平顶推，以改善承台桩基的受力。实施过程中需实时监测承台及系杆的响应。因此，本桥施工控制工作的控制目标为：①确保桥梁施工中的安全和顺利合龙；②观察拱肋裂纹，及时提出处理意见；③当实际合龙温度与理论计算温度存在偏差时采取内力调整措施；④在施工各阶段应及时测试应力、温度、标高，保证拱肋标高、应力、系杆应力在设计控制范围内，确保结构内力处于最优状态，确保成桥线形符合设计要求。

2 施工控制的原理和方法

根据本项目的实际情况在控制方法上采用自适应控制方法，施工监控的基本原理见图1。当测量到的结构受力状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到参数辩识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态。这样，经过几个工况的反复辩识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。其基本步骤如下：①首先以设计的成桥状态为目标，按照规范规定的各项设计参数确定每一施工步骤应达到的分目标；②根据上述分目标开始施工，并测量实际结构的变形和应力等数据；③根据实际测量的数据分析和调整各统计参数，以调整后的参数重新确定以后各施工步骤的分目标，建立新的跟踪分析程序。

图1 自适应施工监控基本原理

3 施工过程的仿真计算

按照施工和设计所确定的施工工序，以及设计所提供的基本参数，对施工过程进行正装分析及倒装分析，得到各施工状态以及成桥状态下的结构应力状态和变形等控制数据。施工阶段控制截面应力及位移计算理论值见表1、表2。

表1 施工阶段拱肋应力值计算表 MPa

表2 施工阶段拱肋竖向变形值 mm

3.1 立模标高的确定

对于拱桥施工来说，拱肋立模标高的计算是最为重要的工作，其定位的准确直接关系到拱轴线的线形，影响结构的受力。

拱肋定位标高＝设计标高＋施工预抛高＋运营预抛高＋支架变形抛高。其中：设计标高为设计图纸上提供的标高；施工预抛高为施工该节段后至成桥时，该节段发生的竖向变形值负数；运营预抛高为成桥后，由于活载或者徐变作用，使该节段发生竖向变形值的负数；支架变形抛高为浇筑该节段混凝土，支架产生的竖向变形值的负数。本桥经计算施工、运营预抛高，跨中设置为8 cm，其他位置按二次抛物线进行分配。

3.2 拱肋顶推力的计算

由于该桥矢跨比较小，因此结构对温度比较敏感，尤其是拱脚上缘的拉应力。而实际合龙温度往往由于施工工期等客观气象因素影响导致与设计温度间差别较大，因此会使合龙后的结构附加内力较大，甚者出现拱肋拱脚上缘等部位开裂。为了抵消拱肋合龙时现场温度与设计温度之间差值Δt产生的拱脚负弯矩，在合龙前，拱肋顶推力的大小应该根据Δt的大小确定，使得顶推后，由于Δt产生的拱，脚负弯矩与顶推产生的力大小相等，方向相反，即可达到设计内力状态，保证拱脚部分受力满足要求［2］，即：

式中：M拱脚，顶推力为顶推力产生的拱脚弯矩；M拱脚，温度力为现场温度与设计温度之间差值Δt产生的拱脚弯矩。

根据现场温度与设计温度之间差值Δt和顶推位置，通过模型计算即可确定顶推力的大小。按设计要求，该桥拱肋合龙温度控制在15℃，当该桥合龙温度高于15℃时，对该桥拱肋受力进行分析可知，每当合龙温度高出设计温度1℃ ，结构回复到设计温度状态时产生的拱脚断面的轴力和弯矩分别为－101 k N和－520 k N·m，由此产生该断面上缘拉应力为0.17 MPa和下缘压应力为－0.2 MPa，而实际本桥合龙时间在7，8月份，最低大气温度为25℃，远远高于原设计合龙温度，因此通过计算本桥拱肋顶推力（合龙段内水平方向顶推）为单片拱肋施加3 000 k N，半幅合计6 000 k N以减小正常使用阶段该截面的拉、压应力。

4 施工控制测量

4.1 应力和线型监测点位置

根据拱桥的受力特点，拱肋应变测试断面主要布置在拱脚、四分点和拱顶断面；系杆测试断面主要布置在拱脚、四分点和跨中位置。拱肋变形测试断面每个拱肋下方布置13个测点，特别在拱肋各分段接头处及主拱脚处进行线性及位移监测。测点布置位置见图2。

图2 蒿东河桥拱肋、系杆应力测点布置位置图

4.2 施工过程中应力及线形监测

本桥施工工艺顺序为：基础施工→浇筑系杆中间段→张拉系杆中间段钢束→浇筑承台、拱脚→系杆合龙段顶推→系杆合龙→张拉系杆合龙束→搭设拱肋支架→浇筑拱肋→拱肋合龙→拆除支架→张拉系杆通长束→浇筑拱上立柱和盖梁→架设梁板→施工桥面系。

根据施工顺序有针对性地对每一施工节段拱肋、系杆进行应力与线形监测。

4.2.1 拱肋线形控制

本桥设计明确给定在拱肋施工过程中所设预拱度。拱肋线形控制应包括现浇拱肋时拱肋竖向高程的观测控制，每个施工工况下拱肋竖向变形计算值与观测值的对比。本桥现浇拱肋共分5段，拱肋线形控制测试从主拱浇筑完成后直至成桥均需测量，分为以下工况进行测量：①主拱浇筑混凝土过程中；②主拱混凝土浇筑完成；③桥面风撑浇筑完成；④拱肋支架拆除后；⑤拱上立柱、盖梁浇筑完成；⑥拱上板梁架设完成；⑦ 桥面铺装完成。测试时间应选择早晨日出前，避免日照、温度影响。

4.2.2 系杆、拱肋应变测量

结构应力测试的目的是测量结构的内力变化。将应变计埋在混凝土中或粘贴在混凝土表面，测量结构的应变变化，从而推算结构应力变化。考虑到结构施工过程的长期性，采用弦式应变测试法［3］，其中系杆采用表贴式应变计，拱肋采用埋入式应变计。根据施工顺序对每一施工节段拱肋与系杆的工况应力进行监测。系杆：①系杆张拉预应力钢筋前后；②系杆顶推前后；③拱肋支架预压时；④拱肋节段浇筑过程中；⑤拱肋支架拆除后；⑥立柱盖梁施工完成；⑦二期铺装施工完成。拱肋：①拱肋节段浇筑过程中；②拱肋支架拆除后；③立柱盖梁施工完成；④二期铺装施工完成。另外几种需进行监测的工况有：①结构合龙；②桥面上施工荷载有较大变化。

4.2.3 拱座水平位移测试

在施工过程中张拉预应力、施工拱肋及拱上建筑都会产生拱肋的水平推力，使得拱座发生水平位移。因此，须对拱座的水平位移进行监测。具体方法为在拱座两端做好标记，采用测距仪进行读数，精度控制在1 mm以内。测试工况为：①张拉系杆预应力前后；②拱肋合龙顶推前后；③拆除拱肋支架前后；④拱上建筑施工过程。

4.2.4 温度监测

对拱肋混凝土进行温度监测，以获得与线形及位移相对应的大气温度以及拱肋自身的温度，为拱圈合龙时由温度差造成的结构受力偏差控制分析服务。混凝土内部的温度采用埋入式应变传感器进行测量，外界温度采用温度计进行测量，混凝土表面温度采用表面温度测试仪进行测量。测试工况同应变测试工况。观测时间应选在清晨或黄昏日落之后，测量时间最好控制在2 h之内。

4.2.5 支架变形监测

通过支架预压荷载可以消除支架部分非弹性变形并且在支架预压过程中测量支架弹性变形和非弹性变形［4］，在主拱肋浇筑过程中随时检测支架变形，以保证施工过程中支架的安全和主拱肋成桥时的线性。

5 施工控制结果及结论

蒿东河桥施工监控从2012年4月系杆施工开始到2012年10月桥梁完成桥面系，历时7个月，顺利完成监控任务。

5.1 拱肋线形偏差

在对拱肋支架竖向变形监测过程中，浇筑过程中所有测点最大竖向变形为5 mm，小于等于支架变形抛高值5 mm，拆除拱肋支架后，拱顶下沉量最大为18 mm，小于设计下沉量27 mm，张拉系杆通长束后拱顶上拱为8 mm，小于设计上拱量为11 mm，架设板梁施工完桥面系后拱顶下沉量最大为25 mm，小于设计下沉量30 mm，通过以上数据，表明各个工况拱肋标高与设计预设标高处于吻合状态，拱肋的拱轴线在施工完成后与设计拱轴线重合，满足设计要求。

5.2 应力偏差

各监测断面应力实测值与理论应力值相比，为接近且走向趋势相同以，即拱肋合龙前最大拉应力为0.7 MPa，出现在跨中GL4，GL5断面下缘位置；最大压应力为－0.9 MPa，出现在GL2，GL7断面下缘位置；系杆最大拉应力0.6 MPa，出现在跨中断面，基本在理论零值附近。系杆合龙段断面最大压应力为－3.0 MPa，最小压应力－1.7 MPa，与合龙束张拉产生的应力理论值－2.2 MPa基本一致。拱肋合龙前张拉系杆T2，T3通长预应力束后，系杆最大压应力－6.7 MPa出现在跨中断面，与理论值－5.8 MPa接近。拱肋断面最大压应力为－3.7 MPa，出现在拱肋的GL2，GL4断面上缘位置，与计算的－3.2 MPa接近。拱肋合龙前对拱肋进行顶推后拱肋最大压应力为－1.17 MPa，出现在GL2，GL5断面上缘位置。拱肋支架拆除二期桥面铺装施工完毕后，系杆最大压应力为－6.5 MPa，出现在系杆跨中断面，与理论值－6.2 MPa接近。拱肋断面最大压应力为－4.8 MPa，出现在跨中GL4，GL5断面下缘位置，与计算的－3.6 MPa接近。所有测试断面均未出现拉应力。通过以上数据，表明各控制截面应力状态良好，保持有较大压应力储备，且通过拱肋合龙顶推措施能够大大减小拱脚断面拉、压应力，为后期桥梁运营创造良好条件。

［1］ JTG／T F50－2011公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［3］ 顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］ 向中富.桥梁施工控制技术［M］.北京：人民交通出版社，2001.