预应力混凝土连续梁钢箱拱肋组合桥施工监控技术

曾坤吾/ZENG Kun-wu

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

拱桥具有较大的跨越距离，它以受压为主，弯矩剪力相对较小。钢管混凝土拱桥的出现解决了材料强度高和施工难度大的问题，使得钢管混凝土拱桥近十几年得到迅速发展。基于连续刚构桥结构刚度大、桥面连续、墩梁固结的特点，不设置支座，从而减小了跨中和支点弯矩，而且极为重要的是V 撑刚构桥可以更进一步降低支撑处负弯矩的峰值，但连续刚构桥本身的结构自重较大、施工技术难度大、周期长，拱-梁组合桥结合考虑上面两种结构的特点，同时可把拱结构作为钢筋混凝土施工箱梁部分时的支架，是一种受力合理、方便施工的新体系桥梁[1]，但拱-梁组合桥作为一种新型的桥梁结构形式，体系比较复杂，对合拢时的误差精度要求高[2]，设计时虽然已经考虑了整个施工中可能出现的各种情形，但是并不能完全模拟整个施工体系，事先难以精确估计，钢结构加工精度、施工安装顺序、吊杆张拉顺序和温度对结构的非线性影响等因素，设计之初这些因素很难提前掌握，因此施工过程中实时监测很有必要，将监测数据与有限元模拟分析的预测值进行比较调整，对模拟阶段的各个情况与实际施工过程相校核，以此来保证各阶段施工处于合理控制之中。

1 工程概况

象山大桥设计全长1 168m，主桥采用（80+160+80）m 预应力混凝土连续梁钢箱拱肋组合桥跨越信江河道，组成部分有主梁、拱肋结构、吊杆及系杆。

主梁为变截面预应力混凝土连续梁结构尺寸，主拱上下弦及副拱采用钢箱截面拱，截面尺寸2.5m×1.5m，拱肋结构钢材均采用 Q345qD（Z25）标准，主桥跨中吊杆共设置17 对吊杆（D1～D9），沿桥梁中心线对称布置，纵向布置间距为6.0m，横桥向布置间距为1.5m，共设置10 束系杆（T1、T2），系杆采用XG15-55，均为夹片式钢绞线全防腐型可换可调系杆，系杆T1 全桥共6 束，两端张拉，锚固于下拱肋V 腿处。系杆T2 全桥共4 束，两端张拉，锚固于上拱肋V 腿处锚固。系杆过主梁横梁段，采用预埋∅219×10mm 钢管留孔洞穿过。系杆在箱梁箱室内穿过，无平弯，竖向线形与路线纵坡一致。主墩采用Y 型实体墩型，下部基础为桩基承台结构，采用钻孔灌注桩基础结合矩形钢筋混凝土承台。

桥梁立面布置及平面布置如图1、图2 所示。

图1 象山大桥立面布置（单位：mm）

图2 象山大桥平面布置（单位：mm）

2 施工监测与控制

2.1 连续梁拱肋组合桥施工监测与控制的内容

1）施工监测 通过在施工现场各部位布置的测点数据反馈，及时采集施工过程中结构各部分的内力、位移（线形）和温度数据，与模拟的阶段数据进行比较，以确保对结构各部位有一个准确的客观认知，把握结构处于何种状态。

2）施工控制 比较有限元模拟预测出的理论值与施工监测中的实测值的误差，通过调整施工变量及时修正实际的施工状态，确保各阶段施工安全进行[3]。施工预应力混凝土连续梁钢箱拱肋组合桥时，要及时对施工时各阶段主拱肋的标高、轴线偏位、内力（应力）以及特殊部位在施工时的变形与内力进行监测[4-5]，根据所采集的数据情况与预测值的误差，进行必要的分析，同时修正无法进行合理准确预测设计的部分，使其贴近设计状态，确保在施工过程中整个桥梁的受力状态处于安全可控的范围之内。

2.2 本桥施工监测与控制的内容

本桥的施工监测主要内容包括主梁与拱肋的应力、系杆索与吊杆的索力、拱肋空间线形和桥面线形测量以及结构温度场测试等4 个方面。

温度监测主要为环境温度监测和结构温度监测。温度变化会引起结构的附加变形和应力，对温度进行监测，修正结构变形和实测应力状态，从而能进一步反映结构的变形和应力，温度测量包括：施工阶段环境温度及各桥梁主要构件的温度场分布。

应力监测可以反馈桥梁各部位的准确受力状态，为了监测各施工阶段钢箱拱、混凝土梁的应力，可以通过在拱肋、主梁的控制断面处提前布置相应的应力测试装置，结合施工监测的其他项（例如线型及吊杆索力等）能够更准确的判断桥梁的现场空间位置测量作为施工监测的重要工作组成部分，主梁在挂篮走出、混凝土浇筑、预应力张拉过程中，全桥内力状态，建立一个实时反映的预警机制，来确保施工中的结构安全。

结构在施工荷载、自重、预应力施工、温度、支架变形和收缩及徐变的影响下不断产生变形，拱肋也会产生变形。在钢箱拱拼装阶段，桥梁现场测量主要包括对钢箱拱各节段的空间位置、节段轴线、节段端面的测量等内容，而在主梁施工阶段，主要测量内容可以概括为高程、轴线偏位、相邻节段间偏位等。

本桥施工监控的最后主要环节是吊杆张拉力监测，为了保证索力控制的精度，同时避免因为测量人员出错，本项目采用“频率法”、“拉索延伸量”的方式共同确定张拉索力。保证索力、拉索延伸量的有限元预测值与实测数据误差不超标，拉索体系的索力监测是象山大桥施工监测的主要环节，监测对象包括临时系杆索、永久吊杆和系杆等。索力监测及与模拟施工状态下的误差分析是保证施工阶段结构内力安全及线性的重要环节。

通过以上各项内容的计算、分析和比较，作为判断结构是否符合设计的要求和结构的状态是否和监控的目标相一致的依据，如果有需要，应根据情况对结构的状态及监控目标做出必要的调整，及时修正实际的施工状态，确保各阶段施工安全进行，这也是施工控制工作的最终目标。

3 有限元分析

采用有限元分析软件Midas civil 建立主桥的有限元计算模型（图3），对象山大桥主桥结构进行整体分析，同时对关键施工阶段的结构状态进行计算，提取出结构重要部位的应力、位移等数据，检查后作为监测数据的比较值。

图3 有限元计算模型

为便于区分进行分析，将施工总体阶段划分为三部分，并对相应的关键控制数据及结果整理。

3.1 拆除0#块边跨侧部分支架

对顶施工前，拆除0#块边跨侧部分支架并进行有限元分析，结果如下：主梁采用C60 混凝土，轴心抗压强度标准值为38.5MPa。主梁此时最大压应力为11.85MPa，小于0.5fck（即19.25MPa）；轴心抗拉强度标准值为2.85MPa，靠中跨14#和15#节段出现拉应力为0.28MPa，小于0.5ftk（即1.425MPa），满足要求。墩采用C40 混凝土，fck=26.8MPa，此时主墩最大压应力为6.47MPa，小于0.5fck（即13.4MPa），满足要求。主梁最大挠度为35.84mm＜266.7mm（L/600），满足要求。

3.2 中跨对顶

表1 为不同加载制度下中跨对顶前后主梁各主要参数的变化情况表，最大沉降-95.5mm，最大水平位移-33mm（数值左负右正，下负上正）。

表1 加载等级中跨对顶前后主梁挠度变化表

3.3 系杆、拱肋及吊杆施工

拱及吊索体系施工有限元分析可知：整个系杆、钢箱拱、吊杆施工过程中主梁最大压应力为16.71MPa，逐步下降至15.58MPa成桥，小于0.5fck（即19.25MPa）；最大拉应力为0.26MPa，逐步上升至0.9MPa 成桥小于0.5ftk（即1.425MPa）。

4 结语

通过有限元对关键施工阶段分析预测，作为施工过程中的控制目标，在施工过程中对全桥各施工阶段进行实时监测，对反馈的施工数据进行分析，确定施工状态下的各项误差，对各种关键值建立误差值及误差范围，确定适用的施工误差容许度指标和应力预警机制，最后利用全程施工跟随状态下的修正值调整控制目标值，使桥梁建成状态下无限趋近于设计状态为本组合桥监控工作的最终目标。本文利用Midas 有限元软件对关键施工阶段结构重要部位的应力、位移、张拉索力等进行检查，各项数值均满足规范要求，全桥受力状态合理，保证了桥梁施工的各阶段在安全状态下进行。