大瑞铁路澜沧江特大桥施工监控与分析

金正凯,徐升桥

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

拱桥作为跨越深V峡谷地带的常用桥型，在山区桥梁建设中有着不可替代的地位。大跨径混凝土拱桥普遍采用劲性骨架施工法，该方法突破了地形条件的限制，且能够减少施工设备的用钢量。以钢管混凝土作为劲性骨架能够获取较大刚度，节省用钢量，内填混凝土强度得以提高，外包混凝土除参与截面受力，提高结构整体刚度外，还能解决钢管的锈蚀问题。劲性骨架混凝土拱桥结构整体性好、拱轴线易于控制，诸多优点使该桥型备受青睐。转体施工法也是拱桥常用的施工方法，可分为竖向转体、平面转体及平竖结合转体3种，转体前利用地形或简单支架进行现浇或预制拼装，转体就位后合龙成拱，该方法具有变复杂为简单、减少水上高空作业、结构受力安全可靠、施工设备少、施工速度快等优点[1-6]。

大跨径混凝土拱桥施工过程中，在空中浇筑混凝土的工序较多、时间较长，质量控制较难；拱桥转体施工时，转体过程控制及合龙精度对成拱状态至关重要。20世纪50年代以来，桥梁施工控制理论得到长足发展，在斜拉桥、悬索桥、拱桥、刚构桥等各种类型的大跨度桥梁中得到应用。澜沧江特大桥主跨为大跨度劲性骨架钢筋混凝土拱桥，钢管劲性骨架于两岸拼装完成后，采用二次竖转的施工方法进行合龙，该施工方法在世界范围内尚属首次[7-10]。开展施工监控工作对澜沧江特大桥施工过程中的线形、受力状态进行跟踪控制，能够有效地控制合龙精度，纠正施工过程中的偏差，保障桥梁结构安全，使施工成桥状态与设计状态较好地吻合。

2 工程概况

2.1 桥型布置

澜沧江特大桥为大瑞铁路跨越澜沧江的重要工程，连接大理、保山两岸，全长528.1 m，主跨为上承式劲性骨架钢筋混凝土提篮拱桥，计算跨径342 m。主拱两边各有A、B、C、D四个拱上立柱，立柱上为4×32 m连续梁，拱顶102 m范围内为π形梁，两岸引桥采用32 m和24 m简支梁。全桥立面布置如图1所示。

图1 全桥立面布置(单位：m)

2.2 主要技术标准

铁路等级：Ⅰ级干线铁路。

线路情况：有砟，双线，直线，线间距4.4 m。

设计速度：160 km/h。

设计活载：中-活载。

设计使用年限：主体结构按100年使用年限设计。

2.3 结构形式及主要参数

澜沧江特大桥主拱跨度342 m，矢高82.416 m，矢跨比为1/4.15，拱轴线为拱轴系数m=3.4的悬链线。全桥共两条拱肋，各内倾6.8°形成提篮拱，每条拱肋均采用单箱单室混凝土箱形截面，拱脚处箱形截面径向高10.9 m，拱顶处截面高为6.9 m。拱肋内包钢管混凝土劲性骨架；劲性骨架为四管式桁架，拱脚处桁架高9.5 m，拱顶高5.5 m，上、下弦管的钢管外径为1.0 m[11]。主拱结构如图2所示，拱肋截面如图3所示。

图2 主拱结构(单位：m)

图3 拱肋截面(单位：m)

2.4 施工过程

主体结构主要施工过程如下。

(1)施工两岸基础、桥墩、桥台、拱座。

(2)安装岸上拱肋预拼平台，依附拱肋预拼平台及山体完成拱肋劲性骨架、转铰等钢结构的拼装，通过二次竖转的施工方法完成劲性骨架合龙。

(3)施工劲性骨架钢管内填混凝土。

(4)施工拱肋外包混凝土及拱肋横撑。拱肋外包混凝土采用“四环多工作面”方法对称浇筑，最先浇筑拱脚实体段，四环顺序为底板和下倒角→下半侧腹板→上半侧腹板→顶板和上倒角，各环间混凝土均间隔一个龄期，每环混凝土纵向再细分成“多工作面”。拱肋内横隔板分为上下两半，下半部分与相邻的拱肋下半侧腹板同时浇筑，上半部分与相邻的上半侧腹板同时浇筑。拱肋横撑外包混凝土在拱肋外包混凝土完成之后浇筑，分为上下两部分，分两次浇筑。

(5)对称施工拱上A、B、C、D立柱。

(6)施工两岸简支箱梁、拱顶范围π形梁，对称施工拱上两联4×32 m连续箱梁。

3 监控方案

桥梁施工过程中存在许多影响施工状态及成桥状态的因素，如材料参数、环境因素、施工误差等。对于大跨度桥梁，施工过程较长、工艺复杂，为确保施工过程中的结构安全，并且使大桥施工成桥时的线形、受力状态尽可能地与设计状态吻合，必须对施工过程进行监控。线形监控是对施工过程中大桥各阶段的变形、高程等进行监控，对各种因素造成的线形误差进行及时纠偏，使成桥线形、高程等满足设计要求。应力监控能够掌握大桥施工过程中的结构受力状态，从而保证施工过程中结构安全可靠[12-17]。澜沧江特大桥劲性骨架二次竖转过程中，对其进行线形监控，控制合龙精度；合龙后，对后续各施工阶段均进行线形及应力两方面监控，重点关注主拱的状态。

3.1 线形监控

主拱为主要受力结构，钢管劲性骨架于设计阶段考虑预拱度，给出不计竖拼自重作用时的放样坐标，预拱度按卧置拱度设置。结合两岸地形及拼装台座设置情况，计算得出一次竖转阶段，大理侧上拱肋竖转65°，瑞丽侧上拱肋竖转62°，二次竖转阶段，大理侧拱肋竖转26°，瑞丽侧拱肋竖转30°。对两侧拱肋中间铰处合龙段及跨中合龙段长度进行精准放样，合龙段安装亦可作为合龙精度校核的手段。图4为大理侧拱肋完成一次竖转。

图4 大理侧拱肋一次竖转完成

于拱脚、跨中及跨度的各个1/8节点位置设置9个测点，监测合龙阶段及后续拱肋成形阶段的测点高程，每个测点处，上下游外侧上弦钢管顶面各设置一处定位控制点。测点布置如图5所示。

图5 线形监控测点布置(单位：m)

3.2 应力监控

对主拱劲性骨架进行应力监控。应力监测截面如图6所示，监测截面表贴传感器。拱脚及跨中截面处，两拱肋各钢管顶部均设测点；其他监测截面处，两拱肋仅外侧上下弦钢管顶面设置测点。

图6 应力监控监测截面分布

4 计算模型

采用Midas Civil建立主桥三维模型，模拟劲性骨架合龙至成桥的各施工阶段，模型如图7所示。拱肋外包混凝土及拱肋横撑混凝土采用板单元模拟，不同时浇筑的部分划分为不同的单元，其余部位采用梁单元模拟。劲性骨架及其内填混凝土采用钢管混凝土组合截面模拟[18-21]。施工主拱混凝土的过程，都分为激活湿重、形成刚度两个阶段考虑，仅激活湿重未形成刚度阶段通过调整混凝土材料的弹性模量输入值实现。

图7 主桥三维模型

5 监控数据对比分析

将监控数据与三维模型计算结果进行对比，分析各施工阶段结构线形是否满足设计要求、结构应力状态是否安全，以便及时纠偏、调整后续构件施工时的立模高程。主拱作为主要受力构件，其合龙过程及浇筑成形的每个步骤的跟踪监控都尤为重要，保证主拱的施工质量使其安全可靠，将为后续拱上立柱、拱顶π形梁、4×32 m连续梁的施工安全提供保障。

5.1 线形监控数据对比分析

对拱肋劲性骨架合龙、钢管内填混凝土、每环每段拱肋外包混凝土浇筑、拱上建筑施工等各阶段进行线形监控，监测各测点高程，并得出各测点在各阶段的变形，与计算结果进行对比分析，保证线形的同时可掌握结构刚度、整体受力状态是否安全。表1为钢管劲性骨架合龙时各定位控制点的高程实测值与理论计算值对比，由结果可知，二次竖转过程线形控制较好，合龙精度较高。

表1 劲性骨架合龙阶段高程 m

表2为外包混凝土完成阶段上、下游拱肋定位控制点高程实测值与计算值对比。图8～图10所示分别为内填混凝土完成阶段、外包混凝土第二环完成阶段、外包混凝土第四环完成阶段的挠度实测值与计算值对比，各阶段挠度为相对于劲性骨架合龙时的累计挠度值。由结果可知，各阶段主拱各测点挠度与理论计算值相差不大，主拱施工线形较好，且具有足够的刚度。

表2 外包混凝土完成阶段高程 m

图8 内填混凝土完成阶段挠度

图9 外包混凝土第二环完成阶段挠度

5.2 应力监控数据对比分析

将应力监控各测点的应力监测数据与计算结果进行对比，分析结构受力状态是否与计算规律相符，应力值是否在允许的安全范围内。表3、表4分别选取外包混凝土第二环完成阶段、外包混凝土全部完成阶段各监测截面外侧上弦钢管顶部测点应力值进行对比分析。对比分析可知，澜沧江特大桥主拱受力状态与理论计算规律基本符合，应力值在安全范围内。

表3 外包混凝土第二环完成典型测点应力 MPa

表4 外包混凝土全部完成典型测点应力 MPa

6 结语

对澜沧江特大桥主桥进行线形和应力两方面的施工监控。线形监控监测测点高程，进而得出各施工阶段的结构变形，从而指导施工过程中的线形控制，掌握结构刚度是否满足整体受力需求。应力监控监测各阶段结构的受力状态，以确保应力值在安全范围内。

主拱作为主要受力构件，其成形过程的施工监控尤为重要，是确保后续施工工作安全开展的关键。澜沧江特大桥钢管劲性骨架合龙时各定位控制点的高程与理论计算值基本吻合，二次竖转合龙精度较高。钢管内填混凝土、外包混凝土等主拱成形阶段，线形监控各测点挠度与理论计算值相差不大，主拱施工线形较好，且具有足够的刚度。应力监控各测点应力与理论计算规律基本符合，应力值在安全范围内。

大瑞铁路澜沧江特大桥创造性地采用二次竖转的施工方法，施工过程中存在多处合龙段，钢管劲性骨架设置预拱度，制造和安装的精度要求均较高，因而也为竖转、合龙过程中的线形监控提出了更高的要求，带来了更大的挑战。拱肋外包混凝土施工步骤较多，主拱成形过程漫长，对其线形及应力状态进行持续的监控尤为重要，直接关系到后续拱上结构施工的安全和质量。大桥主体工程已于2020年6月完工。随着桥梁工程逐步向大跨度方向发展、国内铁路网日渐密集，作为一座大跨度的上承式劲性骨架钢筋混凝土提篮拱桥，澜沧江特大桥的施工监控工作及相关分析研究，将为同类型的铁路桥梁提供有益参考。