铁路钢管混凝土系杆拱桥施工过程监控及受力性能分析

2020-01-13雍家林王亚萍罗云峰

国防交通工程与技术 2020年1期

余林，雍家林，王亚萍，罗云峰

(1.中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230011; 2.中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100043; 3.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

系杆拱桥是一种组合体系，具有梁桥和拱桥的大部分优点。拱和梁通过倾斜的吊杆以铰接的方式连接，通常被称为尼尔森体系拱桥。尼尔森体系拱桥的倾斜吊杆可以提高桥梁的竖向刚度，降低拱肋和系梁的弯矩和剪力，在活载作用下具有较小的挠度，因此特别适合对刚度要求较高的高速铁路桥梁[1]，目前应用非常广泛，尤其以钢管混凝土系杆拱桥居多。

钢管混凝土单跨系杆拱桥为外部静定、内部超静定结构，较常见的施工方法为预应力混凝土系梁采用满堂支架，待浇筑完成并张拉预应力筋后，在其上设支架安装拱肋，泵送混凝土后拆除拱肋支架，安装吊杆，最后拆除系梁支架。整个施工过程中内部超静定次数不断变化，为了保证施工过程中的安全与稳定，需要对施工过程进行受力分析并实施现场监控[2-10]。

本文以商合杭高速铁路工程无量溪特大桥80 m下承式钢管混凝土系杆拱桥为工程背景，采用Midas软件建立有限元模型，对施工过程中的受力行为进行了分析，并详细介绍了施工监控方案及测点布置情况，为同类结构拟定施工监控方案提供参考。

1 工程概况

商合杭高速铁路工程无量溪特大桥桥型为1-80 m下承式钢管混凝土系杆拱桥。拱肋横断面为哑铃形，钢管为∅1 000 mm×16 mm，上下钢管内填充C55无收缩混凝土。系梁为单箱三室预应力混凝土箱形截面，梁高2.5 m，桥面宽16.4 m。吊杆为127∅7 mm高强度低松弛镀锌平行钢丝束，按尼尔森体系布置。两拱肋之间设3道横撑，拱顶处为X型撑和3道一字撑，其余为K型撑，分别由∅500 mm、∅400 mm、∅360 mm的圆形钢管组成。全桥结构布置及截面见图1。

图1 桥梁结构图(单位：cm)

2 施工阶段受力性能分析

2.1 有限元模型的建立

采用Midas/Civil建立该桥的有限元模型，其中系梁、拱肋和横撑均采用梁单元，吊杆采用只受拉桁架单元。系梁两端支座采用简支约束；系梁及拱肋的现浇支架采用仅受压弹性连接；拱肋和梁体的连接采用弹性连接中的刚性连接；吊杆与系梁和拱肋之间采用弹性连接的刚性连接。按照系杆拱桥上部结构在施工全过程的受力特点和实际的施工顺序，在Midas/Civil软件中划分成16个施工阶段，见表1。

表1 划分的施工阶段

全桥整体有限元模型共有526个节点，458个单元。有限元模型见图2。

图2 整体有限元模型

2.2 有限元分析结果

2.2.1 位移

选取左端拱脚截面、左侧1/4截面和跨中截面进行系杆和拱肋的竖向位移分析，见图3，其中位移以向上为正、向下为负。由图3可知：

(1)由于系梁为满堂支架施工，故在张拉吊杆之前，位移一直很小，但由于预应力的作用产生了较小的上拱；在张拉吊杆阶段，由于吊杆力的作用，系梁上拱位移增大；在加载二期恒载后，系梁跨中竖向挠度达到最大。

(2)与系梁相反，拱肋在拆除支架后产生向下的位移，但量值较小；在张拉吊杆阶段，下挠值明显增大；加载二期恒载后，下挠值继续增大，但增幅不明显。

2.2.2 应力

系杆和拱肋在左端拱脚截面、左侧1/4截面和跨中截面处的应力见图4，其中应力以受拉为正、受压为负。由图4可以得出：

(1) 系梁在每个施工阶段均受压，张拉系梁预应力筋后，系梁压应力开始减小；在安装拱肋、浇筑拱肋混凝土、拆除拱肋支架的3个阶段中，系梁的压应力继续减小，但幅度较小；张拉吊杆后，系梁的压应力明显减小；在移除满堂支架之后，桥梁的整体刚度形成并且压应力继续减小。

图3 施工阶段各截面竖向位移

图4 施工阶段各截面应力

(2) 拱肋各截面的应力不断增大，且都是压应力；在每个阶段的基本趋势是拱脚截面处的应力最大，跨中截面处的应力最小；加载二期恒载后，各控制区的应力达到最大值，拱脚横截面压应力最大，为82.8 MPa，跨中截面处应力为67.1 MPa。

3 施工过程监测

施工监测的主要内容由系梁及拱肋的线形监测、系梁及拱肋的应力监测和吊杆张拉力监测三部分组成。

3.1 监测方案及测点布置

3.1.1 系梁及拱肋的线形监测

使用全站仪测量系梁及拱肋的标高。在大小里程支座中心线之间，沿系梁的中心线，桥梁顶板表面每隔5 m布置测点，共计17个测点，如图5所示。在每片拱肋的左侧拱脚截面、左侧1/4截面、跨中截面、右侧1/4截面、右侧拱脚截面上的腹板中心分别布置拱肋线形测点(反射片)，南北两侧拱肋共计10个测点，如图6所示。

图5 系梁标高测点布置示意图(单位：cm)

图6 拱肋标高测点布置示意图(单位：cm)

3.1.2 系梁及拱肋的应力监测

系梁采用埋设式振弦应变计，拱肋采用外置式振弦应变计，分别在系梁和拱肋的左侧拱脚截面、左侧1/4截面、跨中截面、右侧1/4截面、右侧拱脚截面共5个截面上布置应力测点，见图7。

图7 应力测点布置示意图

3.1.3 吊杆张拉力监测

吊杆索力的测试采用预装的光纤光栅压力计和相应的调节仪，根据设计院提供的吊杆张拉索力，采用“张拉时以千斤顶压力表控制为主，索力监测为辅；张拉完成后以索力监测为主”的控制方案。

3.2 线形监控结果分析

3.2.1 系梁线形

由于本桥的施工方法是支架现浇，故在拆除系梁支架之前，系梁的变形都非常小，只在吊杆张拉完毕、拆除系梁支架及施加二期恒载这3个阶段系梁变形比较大。这3个阶段的计算高程和相邻两阶段的计算高程差值如图8和图9所示。

图8 3个阶段的计算高程

图9 相邻2个阶段的计算高程差值

从图8和图9可以看出，吊杆张拉完毕、拆除系梁支架及施加二期恒载这3个阶段，吊杆张拉完毕后系梁跨中挠度持续增大，系梁的线形变化的最大值位于跨中部位；拆除系梁支架后系梁跨中挠度变化较小；施加二期恒载后系梁跨中挠度达到最大，因此选择此3个阶段作为重点监控。各阶段系梁的计算高程和实测高程如图10所示。

由图10可知：系梁的线形实测结果与计算结果变化趋势一致，而且这3个施工阶段的实测结果与计算结果的差值在可控范围内，施工过程中线形的实测高程和计算高程最大绝对差值在5 mm以内，符合相应规范要求。

3.2.2 拱肋线形

根据施工顺序以及拱肋标高测点布置位置，在拱肋到场之后，分别在相应位置粘贴反光贴，再对拱肋线形进行监测。根据有限元分析结果，选取竖向变形较大的拆除拱肋支架、吊杆张拉完毕、拆除系梁支架阶段及施加二期恒载阶段这4个阶段进行监测，得到拱肋竖向位移计算值与实测值的对比见图11，图中截面1～截面5分别代表拱肋左侧拱脚截面、左侧1/4截面、跨中截面、右侧1/4截面、右侧拱脚截面。

图10 系梁高程计算值与实测值对比

由图11的可知：拆除拱肋支架、吊杆张拉完毕、拆除系梁支架及施加二期恒载这4个阶段，拱肋的线形变化的最大值位于跨中位置，拆除拱肋支架阶段拱肋跨中挠度为-1.72 mm；吊杆张拉完毕后拱肋跨中挠度达到-18.4 mm；拆除系梁支架后拱肋跨中挠度变化不明显；施加二期恒载后拱肋跨中挠度达到最大为-21.7 mm。结果显示，南北2片拱肋挠度的实测值与计算值较为吻合，而且2片拱肋变形的趋势基本一致，满足监控要求。

3.3 应力监控结果分析

3.3.1 系梁应力

系梁5个测点截面在各施工阶段的应力计算值与实测值见图12所示。由图12可以看出，系杆拱桥在施工过程中系梁的应力发展情况与计算应力基本吻合，并且两者差值在10%以内，在可控范围之内，符合规范要求。个别测点应力实测值与计算值差距较大，可能是由于测量时温差较大引起的，因此在每次采集数据时，应尽量选取与前次测量时温度相近的时刻，以最大程度减小温度的影响。

3.3.2 拱肋应力

拱肋5个测点截面在各施工阶段的应力计算值与实测值见图13所示。

由图13可知：施工阶段最大应力都发生在拱脚附近，跨中截面应力值相对较小；在施工过程中，拱肋应力的测量值与计算值一致。两者之间的差异小