钢筋砼拱桥钢拱架现浇施工控制关键技术
2016-11-29刘雪锋
刘雪锋
（贵州省交通建设工程质量监督局，贵州贵阳 550023）
钢筋砼拱桥钢拱架现浇施工控制关键技术
刘雪锋
（贵州省交通建设工程质量监督局，贵州贵阳 550023）
上承式钢筋砼拱桥是山区应用较多的一种桥型，钢拱架现浇施工是山区这类桥梁最常用的施工方法之一。文中以贵州省龙塘河大桥为工程背景，通过钢拱架悬臂拼装施工监控及加载现场试验，分析钢拱架悬臂拼装过程中的应力、变形和稳定性，为施工安全和线形质量提供保障。
桥梁；钢筋砼拱桥；钢拱架；施工监控
在跨越高深峡谷桥梁之中，钢筋砼拱桥是非常有竞争力的一种桥型，其不仅外形结构美观，而且能充分发挥材料特性，耐久性能好，养护维护费用少。目前该类拱桥的施工方法主要有悬臂现浇、支架现浇、悬臂拼装、转体施工等。悬臂现浇施工法能突破山区峡谷的限制，可有效解决峡谷地区桥梁施工建设的难题。悬臂现浇施工最重要的工况是钢拱架施工，钢拱架悬臂拼装是影响结构安全、保证主拱圈浇筑的重要工序，且处于高山峡谷之中的钢拱架施工往往受到地形的限制，地锚、缆索吊、扣塔系统等也容易出现安全事故。因此，对钢拱架施工过程的控制关系到施工质量和安全。
1 工程概况
龙塘河大桥位于贵州省务川县，桥跨布置为1 ×16 m预应力砼空心板+125 m钢筋砼箱形拱+1 ×16 m预应力砼空心板，全长170.6 m（见图1）。桥梁平面位于直线上，桥面纵坡为双向1.0%，桥面横坡为双向2%。主拱圈为单箱双室截面，宽度为7 m，高度为2.2 m。
图1 龙塘河大桥立面图（单位：cm）
该桥采用“先悬拼拱架，后浇拱圈砼”的施工方法，钢拱架采用悬臂拼装施工（见图2）。钢拱架主要由拱脚节段、标准节段、连接构件和合龙段组成，横向联系用横联和平联连接。在主拱圈下拼装成圆弧形钢拱架，沿弧向共用23大组、横向每组5小组，共计115小组钢拱架。节段之间上弦采用法兰钢板螺栓连接，下弦采用阴阳接头铰接。钢拱架下弦采用销接，上弦通过楔形连接结构调节栓接各节段钢拱架，保证节段拼装后按照箱拱圆弧方向变化，最终形成弧形拱架。钢端桁架连接第一节段钢拱架与拱脚，在拱脚节段设铰，钢拱架悬臂拼装成设计线形后卸掉扣索，形成两铰拱，使在拼装过程中产生的附加应力重新分布，有利于临时拱圈的受力；在拆除临时拱圈的扣索后再封闭拱脚的铰，焊接连接型钢，使之转换为无铰拱。临时拱圈形成后，在钢拱架上搭设钢管架，安装调节顶托，在顶托上铺设分配梁、方木、模板，浇筑砼。
图2 拱架悬臂拼装施工示意图（单位：cm）
2 钢拱架悬臂拼装过程施工控制
2.1节段拼装施工过程
节段吊装步骤：1）钢拱架移到起吊位置进行拱架组拼。2）缆索吊起吊已拼装好的节段，扣好扣索和缆风索，利用缆吊将节段调整就位。3）安装拱架下弦铰接头销轴、上弦法兰钢板螺丝，然后松开起吊点，将节段受力传递给扣索。4）安装横向缆风索，并利用它进行横向偏位调节，增强钢拱架吊装过程中的横向稳定性。缆风索在主拱圈浇筑完成后卸除。5）按计算扣索索力调整各扣索索力，使钢拱架的空间位置尽量达到设计预抬位置。6）复测拱架位置，有偏差及时调整；复测上下游两侧的扣索索力，尽量保证扣索力相近；锚固好扣索后锚。
2.2钢拱架拼装过程施工过程模拟
采用斜拉扣挂施工钢拱架，并对钢拱架拼装进行计算，其中扣索索力和每节段预抬量为计算核心。采用弹性连接-刚性支撑即斜拉扣索“一次张拉”的方法，通过计算确定初张索力和预抬量，避免索力和标高的反复调整，降低拱架悬拼施工风险。
利用有限元软件MIDAS/Civil对钢拱架斜拉扣挂施工进行模拟。钢拱架弦杆、竖杆、斜杆均采用空间梁单元模拟，扣索采用桁架单元模拟，上弦法兰钢板连接采用同节点刚性连接模拟，下弦销轴采用梁单元并释放杆端弯矩模拟（见图3）。
图3 拱架悬臂拼装计算分析模型
2.3钢拱架拼装过程施工过程监测
（1）应力监测。在钢拱架吊装、预压、箱拱浇注施工过程中，为考察钢拱架的受力情况，对拱架控制截面的应力进行监测。应力监控截面为拱脚、1/4拱拱顶、3/4拱等关键截面（见图4）。
图4 应力监测点布置示意图
（2）变形监测。施工前，在钢拱架前段焊接配套螺帽，每个节段端头位置布设小棱镜，使用全站仪对钢拱架线形进行实时监测，并在拱架关键位置固定棱镜，吊装过程中不间断地对拱圈固定位置进行竖向和横向变形监测。遇到钢拱架线形偏离理论线形时，通过调整扣索索力、张拉缆风索等手段，配合应力监测，调整钢拱架线形，以达到理论线形。
（3）主塔偏位监测。该桥采用斜拉扣挂施工方法，扣塔和吊塔合于一塔，主塔的偏位监测非常重要，不仅关系到结构安全，也关系到钢拱架拼装线形。在主塔顶部设置4个棱镜（见图5），跟踪施工过程中，特别是第6段节段后扣索锚固在主塔后的主塔偏位，检测主塔纵桥向偏位和整体受扭状态，并及时进行调整，保证主塔偏位在控制范围内，同时保证钢拱架线形质量和施工安全。
图5 主塔偏位监测示意图（单位：cm）
3 钢拱架预压过程施工控制
为确保后续主拱圈砼浇筑施工安全，在拱圈浇筑前对其进行预压试验（见图6），检验钢拱架的整体受力性能、承载能力和整体稳定性，掌握结构在设计荷载作用下的实际工作状态，消除钢拱架在拼装过程中的非弹性变形。
图6 钢拱架水箱预压试验
主拱圈底板浇筑重量820 t，据此沿拱圈均匀布置63个水箱，并根据底板浇筑顺序确定水箱加载顺序，按照表1进行加载。
表1 钢拱架水箱加载荷载
3.1预压过程静力计算
计算分析中采用弹性杆的方式进行模拟，释放连接铰接端的弯矩，铰支座处均可发生转角位移，3个方向的位移自由度均被约束。按照水箱搭设荷载情况模拟钢拱架受力状态。计算结果见图7～8。
图7 工况1下变形计算结果（单位：mm）
图8 工况3下变形计算结果（单位：mm）
3.2预压过程稳定性计算
根据钢拱圈受载过程稳定性分析结果，预压过程中稳定系数为11，稳定系数较高；一阶为横向失稳，失稳变形见图9。稳定性计算中未考虑横向缆风索的作用，每侧3根横向缆风索将极大地提高钢拱架的横向稳定性。钢拱架的稳定性满足要求。
图9 稳定性计算结果（一阶失稳）
3.3监控和理论计算结果对比（见表2和图10）
从表2和图10可看出：拱顶最大变形为53mm，小于理论计算值63mm，其他点的变形也都略小于理论值，说明钢拱架刚度大于理论计算值，钢拱架在弹性范围内工作。非弹性变形最大为1 cm，比类似拱桥非弹性变形数值小，说明拱架的钢结构安装精度和质量较好，钢拱架的承载能力满足拱肋底板砼的浇筑要求。
表2 关键点的变形mm
图10 工况3实测与理论变形对比
4 结语
该文利用弹性连接-刚性支撑方法对龙塘河大桥钢拱架悬臂拼装过程进行计算分析，结合现场施工监控进行实时控制，主拱圈得以顺利合龙。钢拱架预压试验是这类桥梁施工必不可少的工序，通过试验可确定钢拱架的承载能力、受力性能和整体稳定性，为后续施工消除非弹性变形、确定预拱度起到关键作用。
［1］ 顾安邦，孙国柱.公路桥涵设计手册：拱桥（上册）［M］.北京：人民交通出版社，2004.
［2］ 田仲初.大跨度钢箱拱桥的施工控制关键技术与动力特性研究［D］.长沙：中南大学，2007.
［3］ 张玉平，李传习，董创文，等.“零弯矩法”应用于斜拉扣挂索力确定的讨论［J］.交通科学与工程，2004，20（1）.
［4］ 蔡净.定长扣索法安装拱桁架节段控制索力计算［J］.公路工程，2003，28（3）.
［5］ 邓可.悬拼拱架现浇拱桥施工控制及安全风险评估［D］.长沙：长沙理工大学，2011.
［6］ 田国印，马亮，黎人亮.现浇箱梁支架蓄水预压法的应用［J］.桥梁建设，2012，42（1）.
［7］ 蒋田勇，罗舟滔，江名峰.钢拱架水箱预压试验及预拱度设置［J］.湖南交通科技，2015，41（1）.
U445.4
A
1671-2668（2016）05-0205-03
2016-06-12
