钢管混凝土系杆拱桥先梁后拱施工控制研究

乔叶伟

0 引言

钢管混凝土系杆拱桥是由拱和梁构成的一种桥梁组合结构体系，这种组合结构体系充分发挥了其各自的特点，由拱承受压弯，系梁来承受拉弯[1]。拱肋采用钢-混组合结构，通过外部钢管来限制内部混凝土，使得内部混凝土承受多向受压状态，能够较大程度提高其承载能力[2]。钢管混凝土系杆拱桥内部是多次超静定结构，外部是平衡的静定结构，它相对于拱脚有推力的传统拱桥来说，能够克服地基承载能力不足等问题。同时钢管混凝土系杆拱桥后期的收缩徐变较小，整体结构刚度较大，能够较好地满足高速铁路对于道路平顺性等要求[3]。对于系杆拱桥采用先梁后拱施工方案时，主拱受力明确，可以减少结构体系转换的次数，并且施工作业区域较大，可以保证施工安全[3]，所以这种先梁后拱的钢管混凝土系杆拱桥已经广泛应用于高速铁路中。

已有研究表明，Tian[4]研究了某大跨度系杆拱桥的施工监测技术，对桥梁的关键部位进行了实时监控，以保证拱桥在施工过程中的安全性和可靠性；Yin 等[5]对某大跨度提篮式拱桥施工监测技术进行了研究，主要研究了监测点的位置、监测控制的施工方法和施工监测技术；杨三强等[6]通过实时监测在各个施工阶段下拱肋的应力与位移，研究其内力变化的规律；任文峰等[3]通过有限元分析及实测监测，计算了不同施工阶段的拱肋及吊杆的应力变化规律；项影明[7]研究了某钢管混凝土系杆拱桥的施工过程结构变形的监控方法；冯睿为等[8]通过实测值修正后的有限元模型来计算某三拱肋钢管混凝土系杆拱加固过程中的结构内力及变形；刘治勇[9]采用有限元模拟计算了某钢管混凝土系杆拱桥主梁、拱肋的预拱度及施工阶段索力优化；冯志强等[10]研究了某钢管混凝土系杆拱桥施工阶段中拱肋标高和吊杆索力值监控。本文使用Midas civil 软件对实际桥梁进行预拱度计算及施工阶段应力监测分析。

1 工程概况

本文以灵武太中银铁路立交特大桥为研究对象，位于临夏银川市。纵坡坡度为1.85%，设计中按正做斜置，即吊杆垂直于梁体。本桥为64 m 简支系杆拱，拱轴线的形式为多次抛物线，计算跨径为64 m，矢高为12.8 m。桥梁共两道拱肋间距为13.8 m。系梁的截面形式为箱型截面，结构形式为预应力混凝土，系杆拱立面布置图如图1 所示。

桥梁中系梁和拱肋均采用刚性设计，拱肋结构形式采用钢管混凝土，截面形式采用哑铃型截面，截面高度达到2.2 m。全桥通过吊杆将拱肋与系梁相连接，共计10 对吊杆。系梁采用预应力混凝土简支系梁，系梁除梁端局部加高至3 m 外，其余梁高均为2.5 m。系梁横截面布置图如图2 所示。

本桥是先进行系梁施工，再进行拱肋施工的先梁后拱的施工方案，系梁通过支架法进行现浇施工，立模现浇系梁混凝土，待混凝土强度到达设计要求后分批张拉预应力钢束。系梁施工完成后，架设钢管拱肋支架。将拱肋吊装到设计位置，然后在支架上对接拼装，再对其余构件如横撑进行拼装焊接。然后对钢管内灌注混凝土，达到设计强度后撤去支架，按顺序安装吊杆并张拉，撤去系梁支架并进行吊杆力检测。

2 有限元模型

2.1 建立有限元模型

图1 系杆拱立面布置图（单位：cm）

图2 系梁跨中处截面（单位：cm）

本桥使用Midas Civil 有限元软件建模。模型包括钢管混凝土拱肋、系梁、吊杆、横梁、风撑等，桥面板、桥面铺装、管线栏杆等二期恒载换算为荷载，加载在结构上。在结构的静力分析中不考虑非线性因素的影响。全桥共计426 个单元，其中梁单元380 个，桁架单元40 个。本桥中吊杆使用桁架单元模拟，其余构件使用梁单元模拟，有限元模型如图3 所示。

图3 Midas civil 空间有限元模型

2.2 计算荷载

恒载包括结构自重和桥面铺装荷载，取值如表1 所示。

表1 恒载参数

3 预拱度计算

桥梁施工控制中线性控制是非常关键，为了保证桥梁线型符合设计目标，必须在主梁的建造期间设定一定的预弯度，本文通过Midas Civil 模型进行理论计算获得。

3.1 系梁有限元计算结果

每个施工阶段承受的荷载是变化的，其桥梁结构的变形也随着施工阶段的不同而变化。在考虑拱桥自重、预应力荷载、收缩徐变、活载及桥面二期铺装等作用下，基于Midas Civil 有限元模型计算拱桥的竖向位移[11]。根据有限元建模坐标系，假定支承位置的x 坐标为1，则系梁在该坐标系的x 坐标及相应编号如表2 所示。

表2 x 坐标及相应编号

系梁混凝土整体浇筑完成后在预应力荷载下系梁理论挠度如表3 所示。

在预应力作用下的系梁最大挠度值为39.7 mm，发生在跨中截面，由于实际中有支架的存在，实际最大挠度值会略低一些。

表3 预应力作用下系梁的挠度（单位：mm）

系梁在自重、预应力等荷载组合下的计算挠度如表4 所示，荷载组合挠度图如图4 所示。

图4 自重、预应力等荷载组合下系梁的挠度图

表4 自重、预应力等荷载组合下系梁的挠度（单位：mm）

吊杆进行张拉两次后，将系梁支架拆除，一段时间后进行桥面铺装的施工，这期间会受到一次混凝土收缩徐变的影响，在桥面二期荷载下系梁的挠度如表5 所示。

表5 桥面二期荷载下系梁的挠度（单位：mm）

3.2 拱肋有限元计算结果

拱肋在自重、预应力等荷载组合下的计算挠度如表6 所示。

表6 自重、预应力等荷载组合下拱肋挠度（单位：mm）

在桥面二期荷载下拱肋的挠度如7 表所示。

表7 桥面二期荷载下拱肋挠度（单位：mm）

3.3 运营状态有限元计算结果

图5 全桥恒载+0.5 活荷载挠度图

施工完成后期运营时，在恒载+0.5 活荷载的荷载组合下，桥梁最大位移为9.59 mm，发生在跨中截面。桥梁变形图如图5所示，挠度值如表8 和表9 所示。

3.4 预拱度计算结果

由于实际施工中施工阶段需要对支架进行预压处理以便抵消其非弹性变形，同时获得其弹性变形值。这些是需施工阶段获得，故本文对支架弹性变形值及地基沉降值作假设处理。桥梁预拱度计算值如表10 和表11 所示。

表8 系梁恒载+0.5 活荷载下的挠度（单位：mm）

表9 拱肋恒载+0.5 活荷载下的挠度（单位：mm）

表10 系梁预拱度理论结果

表11 拱肋预拱度理论结果

4 主梁及拱肋监控

4.1 主梁应力测量

为了分析判定系杆拱施工阶段中系梁的受力状态，在系梁部分梁段埋设应力传感器来监测其应力状态，从而使得系梁施工安全有序地进行，测点布置如图6 所示。

图6 系梁应力截面测点布置图

1#为拱脚截面，有4 个测点1-1#～1-4#；2#为系梁端截面，有两个测点2-1#～2-2#；3#为系梁1/4 截面，有4 个测点3-1#～3-4#；4#为系梁3/4 截面，有4 个测点4-1#～4-4#。部分应力测点数据未测得不予展示，在本桥各个施工阶段中的各测点系梁应力如图7 所示。

图7 不同施工阶段系梁应力图

由图7 可得，在整个施工阶段过程中，压应力最大为24.1 MPa，发生在吊杆张拉后系梁1/4 截面。拉应力最大为15.5 MPa，发生在拱肋落架后系梁3/4 截面，满足设计要求。

4.2 拱肋应力监测

为了分析系杆拱施工阶段中拱肋的受力状态，在拱肋部分拱段埋设应力传感器来监测其应力状态，从而使得拱肋施工安全地进行，测点布置如图8 所示。

图8 拱肋应力截面测点布置图

1#为1/4 截面，左、右拱肋分别设置应力传感器，编号分别为996416 和997917。2#为跨中截面，左、右拱肋分别设置应力传感器，编号分别为980704 和996421，在本桥拱肋架设中的各测点拱肋应力如图9 所示。

由图9 可得，不同拱肋架设阶段、不同的拱肋截面的应力是在变化的。其中，最大拉应力为22.3MPa，发生在拱肋架设完成后的拱顶处。最大压应力为26.4MPa，发生在拱肋架设中的拱顶处。通过有限元建模计算，拱肋架设中其对应最大拉、压应力值分别为29.21MPa 和41.62MPa，故满足设计要求。

5 结论

本文以灵武银西铁路立交特大桥为研究对象，采用Midas Civil 有限元软件建立全桥空间模型，对钢管混凝土系杆拱先梁后拱的施工阶段控制进行分析，得出以下结论：

（1）通过有限元建模计算，获得了各个施工阶段在不同荷载组合下的系杆拱的挠度，通过考虑预拱度计算过程中存在的偏差，最后得到该系杆拱系梁及拱肋的预拱度计算结果。

（2）通过对系梁的应力监控，系梁在各个施工阶段中，最大压应力为24.1MPa，发生在吊杆张拉后系梁1/4 截面。最大拉应力为15.5MPa，发生在拱肋落架后系梁3/4 截面。

（3）通过对拱肋的应力监控，拱肋最大压应力发生在拱肋架设中的拱顶处，压应力值为26.4 MPa。最大拉应力发生在拱肋架设完成后的拱顶处，拉应力值为22.3 MPa。

（4）基于系梁、拱肋的预拱度计算和系梁、拱肋的应力监测，使得施工过程中桥梁结构的内力、挠度及线型达到了既定目标，满足了设计要求，为了同类型桥梁施工监控提供了参考依据。

图9 拱肋架设中各截面拱肋应力变化