钢拱桥拼装施工关键技术研究

叶舟

摘要：此文针对某大桥工程主拱施工监控方案，依靠有限元分析程序与现代化测量技术的结合措施，针对钢拱桥拼装施工关键技术展开进一步分析，期望能够提供一定的参考借鉴。

关键词：钢管混凝土拱桥;施工控制;有限元方法

一、桥梁总体布置

XX大桥长度为150m，所采取的是双飞燕形中承型钢管混凝土提篮拱桥构造。主拱内倾10°，边拱内倾6°。主跨100m。大桥主跨拱肋是钢管混凝土，运用的是无铰拱，拱轴线是二次抛物线，其中矢高为7.5m，矢跨比为1/4.0。边跨拱肋为半波二次抛物线，矢高7.5m。顺着两条边拱肋进行纵桥向预应力系杆安装，系杆要锚固到边拱端部横梁之上，确保两个主墩水平推力的均衡。

二、拱肋缆索吊装索力计算

（一）计算方法分析

拱肋吊装索力的计算预测手段包含前进算法、倒退算法、力矩平衡法以及零弯矩法。此桥梁工程拱肋运用的是空间桁式断面，在安装过程中拱肋节段间运用固结的形式，安装与焊接同时进行，若是采取力矩平衡法，那么计算结果和实际间存在很大误差，不能适应施工的控制精度标准。采取零弯矩法对扣索索力进行计算可能导致扣索索力是负值，出现不均衡现象。倒退算法不能照顾到和施工相关得到因素，比如：结构几何非线性以及混凝土收缩徐变。本文采用考虑了因拱肋节段间转角连续而引起的刚体位移等影响因素的修正前进迭代算法[3]，即在建立施工阶段有限元模型时，把拱肋节段单元一次性建立完毕，并设为无重量单元，依据设计的工程施工顺序，当安装完一个节段时便要把相应节段质量用等效荷载方式添加至模型之中，进而分析吊装过程中上一节段接头位置转角造成现节段位移，进而完成扣索索力准确预测。

（二）计算程序设计

定义在制作台上无应力条件下分析预拱度后钢管拱肋线性作为标准状态。进行吊装施工控制主要作用在于利用对扣索索力的调节使得各个控制点的标高和标准状态误差被控制到规定范围之内。

（三）施工控制结果

单侧拱肋顺桥向要划分出5个吊装节段，利用以上算法展开迭代优化求解，获得合拢前的扣索索力以及每个控制处预抬高值，此文仅给出桥梁拱肋的首节控制点预抬高量。

三、拱肋弦管混凝土灌注

（一）浇筑次序

此大桥桥拱肋截面为桁架式，由于肢数较多，因此弦杆混凝土的浇筑次序是具有多样性的，弦杆混凝土的浇筑顺序会对钢管混凝土拱桥的截面应力储备产生严重影响。经过计算证明，如果钢管混凝土弦杆是混凝土拉应力进行控制的话，那么应当选用自上而下的顺序浇筑;当以钢管压应力控制时，则以先下后上为好[7]。

对于以上三种不同工况开展混凝土泵送施工的有限元模型研究，最终结果是工况I最小一类的稳定系数达到10.9;工况2的最小一类稳定系数为8.3;工况3的最小一类稳定系数为6.8。工况1混凝土均为压应力，钢管的最大压应力153.2MPa;工况2混凝土出现1.58MPa拉应力，钢管的最大应力198.6MPa;工况3混凝土最大拉应力为2.67MPa，钢管的最大应力223MPa。工况I拱脚处的最大位移1.25mm;工况2拱脚处的最大位移1.26mm;工况3拱脚处的最大位移1.68mm。由以上的对比分析得出，工况1的浇筑次序最合理。

（二）施工控制结果

按照工况1的浇筑次序进行大桥的施工，没有出现安全问题。实测拱脚处下弦钢管的应力为165MPa。并对拱脚水平位移进行了现场观测。

由此了解到，进行钢管混凝土灌注操作时，拱脚所存在的水平位移是要稍稍低于计算值的，在控制范围要求内。根据以上实际测量数据，对有限元模型展开深入改进，确保后续施工得到精准化控制。

四、系杆分批张拉

（一）系杆张拉方案

为避免施工过程中支座水平位移高于支座规定范围导致支座无效化，钢管混凝土拱桥应当在钢管混凝土的灌注，横梁吊装，桥面板安装与桥面铺设等施工工作中对系杆进行分批次张拉，且确保施工中的系杆拉力和拱桥水平分力保持平衡。大部分系杆拱桥张拉的首批系杆都在横梁吊装前，一些是在拱肋混凝土灌装前[1]。此工程大桥中的三根横梁吊装结束后拱脚累积位移不高于3mm，所以，当三根横梁吊完之后要进行首次系杆张拉操作。在此操作前所吊装三根横梁是为系杆安装设置三个有效支撑点，能够降低系杆基于自重的下挠现象，便于系杆安装及张拉施工。然后系杆要分成三批进行张拉，具体方案为：中横梁与两根1/4横梁安装完成后进行第一批系杆的张拉，所有横梁与部分的桥面板安装完进行第二批系杆张拉，所有桥面板安装完成后进行第三批系杆张拉。

（二）系杆索力计算

基于活荷载条件下，拱桥的主拱水平推力主要是桥墩与系杆一起承负的。因为系杆抗拉刚度要大大低于桥墩抗推刚度，因此都是桥墩来承受水平力，而这对于桥墩受力来说是非常不利的，所以在设计过程中要分析系杆索力除去承受恒载造成的水平推力，还包含一半活载造成的水平推力。ANSYS程序建立分段施工有限元模型，并且把鋼管内混凝十的收缩徐变效应和温度作用的影响考虑在内，依靠迭代算法完成每次系杆张拉前后的拱脚位置位移及水平推力计算。

分三批张拉系杆后，各工况拱脚累加水平位移均小于3mm，而且基于1/2活载下的拱脚水平推力是0，由此了解分三批进行系杆张拉是非常科学的。

五、总结

此文针对某一大桥工程施工实例中关键技术分析，得到下列结论。

（1）此文所采取修正前进算法进行扣索索力计算是合理的，成桥拱肋线形的误差能够保证处于项目精度的要求范围内。

（2h桁架拱肋混凝土浇筑顺序会对拱桥截面应力的储备产生较大影响，受到钢管应力控制时，应当采取自下而上的顺序浇筑。

（3）建立起张拉系杆方案，方案目标在于单工况拱脚的累计位移符合设计标准，系杆力除去确保恒载水平推力平衡外还应当照顾到部分活载作用。

（4）利用计算得知对大桥横梁作一定的预抬高操作，在成桥之后横梁标高满足设计值，桥面的线性流畅，桥梁可以正常通车行驶。

参考文献：

[1]顾安邦.桥梁工程（下）[M].北京：人民交通出版社，2018.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2018.

[3]孙航，陈少峰，刘铁林，等.大跨度钢管混凝土拱桥施工控制预测算法[J].沈阳建筑大学学报，2018，5（3）：371-374.