钢管混凝土拱桥无应力状态施工控制技术

沈立中 张田湉

摘    要：钢管混凝土系杆拱属于无推力结构，有明确的传力路径，是一种自架设结构体系，但结构施工过程相对较复杂。结构形成过程中拱肋分段线形、桥面线形及吊杆索力是其主要的控制目标，而常规采用倒装分析、正装分析、正倒装交互迭代的控制方法实现成桥理想状态，但分析及实施过程较为繁杂。本文以飞云江大桥为例，采用无应力状态法施工控制原理，对钢管混凝土系杆拱合理成桥状态下的拱肋、吊杆进行无应力长度计算，并应用于拱肋及吊杆安装控制等施工流程，使结构施工控制更加明了清晰，大大减少计算及施工工作量。

关键词：钢管混凝土系杆拱;施工控制;无应力状态法;桥梁线形;无应力长度

1  引言

钢管混凝土拱桥的施工控制主要是指在施工过程中对结构的安全和主要构件（拱肋、吊杆、系梁等）的内力、线形控制[1]。根据正常施工工序拱肋最早形成，裸拱形成后拱轴线基本确定且不易调整，因此裸拱线形是拱桥施工控制过程中的关键因素之一，其次是对吊杆内力及桥面线形的控制。

无应力状态法的核心原理[2]：桥梁结构只要确定最终成桥无应力状态量（无应力长度和曲率）、外部荷载及边界条件，则最终成桥结构的内力及位移状态与结构的形成过程无关。（即保证结构成形过程中所有构件都能实现无应力安装，则最终成桥的线形与内力状态与设计要求一致）。该原理较多的应用于斜拉桥，近年来逐步扩展至拱桥结构中，不过应用于钢管混凝土系杆拱桥中的文献较少[3]。本文以飞云江大桥为背景，建立数值仿真模型，研究无应力线形、吊（系）杆初始张拉力及无应力长度，为此类桥梁施工控制提供依据。

2  工程概况

飞云江大桥主桥全长100m，宽12m，公路等级为高速公路，设计时速为100km/h。采用钢管混凝土系杆拱结构，拱轴线为二次抛物线，抛物线方程为y=（4/5-2x/245）×x，矢跨比为1/5，矢高19.6m。拱肋采用哑铃型钢管混凝土，截面高240cm。

全桥四道K型风撑，风撑采用圆形钢管。共设18对吊杆，吊杆采用19Φs15.2mm钢绞线（Strand1860）制作。

3  钢管混凝土拱桥无应力长度的确定

3.1  拱肋的无应力长度

钢管混凝土拱桥拱肋作为结构重要组成部分，其成型后线形能达到设计要求，基本说明建设已成功一半。拱肋架设的重要控制指标就是确实理论线形，并以此保障拱肋加工尺寸的合理、准确。

影响拱肋线形的主要因素主要有温度、节段间焊缝收缩、外荷载三方面[4]。根据无应力状态法原理，环境温度作为临时荷载虽会造成结构内力、几何长度的变化，但不会引起构件无应力长度变化，因此只要确保安装时环境稳定恒定即可;焊缝收缩属于材料固有特性所产生的影响，与混凝土收缩徐变性质相同，一般在工厂预制时消除该影响;外荷载影响指在外荷载作用下拱肋将产生的变形，根据无应力状态法，只需计算拱肋成型后外荷载作用下的变形量，在设计线形基础上进行反向叠加即可，即预拱度设置。

对于钢管混凝土系杆拱而言，拱肋外荷载变形量主要有以下几方面：（1）裸拱自身重量引起的变形量Δ1;（2）管内混凝土浇筑引起的变形量Δ2;（3）其他恒载（吊杆、系梁、桥面板、桥面铺装等）引起的变形量Δ3;（4）混凝土收缩徐变引起的变形量Δ4;（5）一半设计活载引起的变形量Δ5。将上述变形量进行叠加形成总變形量s。

本桥依上述步骤对飞云江大桥桥跨1/8、1/4、1/2处拱肋进行计算求得变形量见表1。

本节分析了拱肋无应力长度的影响因素，通过分阶段模拟施工阶段外荷载作用下的拱肋变形量，并以此作为预拱度有效指导工厂制作。

3.2  吊杆的无应力长度

准确计算钢管混凝土系杆拱成桥状态下吊杆的目标无应力长度，对结构内力及线形有至关重要的影响。钢管混凝土系杆拱吊杆长度不大，可以不考虑非线性效应的影响，因此通过受载前后吊杆两端位置变化来计算吊杆长度变化量。

通过上述计算并以桥面位移控制法可获得恒载作用下吊杆的无应力长度，同时应考虑计入混凝土收缩徐变及活载影响后对无应力长度进行修正，确定最终合理成桥状态的吊杆目标无应力长度。

混凝土收缩徐变主要在成桥十年内完成，通过midas软件模拟后拱肋及桥面系位移如图4所示。

通过上图可知在混凝土收缩徐变作用下拱肋和桥面均有不同程度的变形，以恒载作用下的吊杆无应力长度为初始值进行迭代分析，以桥面位移量接近零为目标，确定吊杆无应力长度修正值。

通过midas软件模拟后拱肋及桥面系活载效应下位移如图5所示。

活载效应下的无应力长度修正方式与收缩徐变修正方法相同，主要通过计算1/2活载效应下桥面各控制节点的位移值，并反向设置成预拱度，更新桥面节点坐标，同时提取施工阶段混凝土收缩需百年下的杆件内力及位移信息，得到活载影响下的吊杆无应力修正值，即吊杆目标无应力长度。

确定目标无应力长度后即可确定桥面系的最终预拱度，并以此更新桥面坐标，同时在施工阶段施加恒载中删去吊杆初拉力荷载进行计算分析，检验桥面在收缩徐变及活载效应下的总位移值是否回落至设计线。

参照上述方法，通过合理调整全桥位移即可避免因吊杆间相互影响导致吊杆张拉力反复调整的麻烦，施工过程中只需要根据实际需要分阶段控制吊杆的拔出量或回缩量即可，最终成桥阶段张拉至目标无应力长度即能确保成桥状态下的位移及内力符合预期。

4  成桥状态桥梁实测结果分析

4.1  成桥状态实际吊杆内力值

通过上表可知，在无应力控制法下吊杆内力相对误差控制在±5%以内，满足相应规范要求。

4.2  成桥状态实际桥面线形

通过上表可知，桥面实际标高与理论标高误差在±20mm以内，符合规范要求。

5  结论

本文以飞云江大桥为背景，通过无应力状态法控制原理对全桥施工过程进行分析及控制，取得成果有：

（1）分析了拱肋无应力长度的影响因素，通过分阶段模拟施工阶段外荷载作用下的拱肋变形量，并以此作为预拱度有效指导工厂制作。

（2）应用无应力状态法，通过桥面位移控制，合理确定桥面预拱度及吊杆无应力长度。施工过程中根据实际需要分阶段控制吊杆的拔出量或回缩量，最终成桥阶段张拉至目标无应力长度即能确保成桥状态下的位移及内力符合预期。

（3）通过飞云江大桥成桥实测结果及理论进行对比分析，各指标误差均在可控范围内，无应力状态法可应用于钢管混凝土系杆拱施工控制中。

参考文献：

[1] 周水兴，张永水，顾安邦等.大跨钢管砼拱桥施工控制的理论与实践[J].重庆交通学院学报，2001（B11）：12～16.

[2] 秦顺全.桥梁施工控制——无应力状态法理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3] 陈亮，岳青.系杆拱桥吊杆张拉施工控制方法[J].现代交通技术，2011（1）：64～67

[4] 肖锐，宫金明.钢管混凝土拱桥预拱度的设置方法及影响因素[J].山西建筑，2010（5）：316～317.