钢管混凝土拱桥主拱线形误差分析与探讨

许诺 赵艺程 万川龙

1.四川交通职业技术学院 四川 成都 611130；

2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 四川 成都 610041

引言

缆索吊装悬臂拼装法因具有材料运输方便、跨越能力大、能够适用于桥址地形复杂、环境恶劣的深峡谷或深水域等优点，广泛用于国内建造的钢管混凝土拱桥。拱肋节段预先在加工厂按照无应力线形匹配制造，再运输至现场，利用缆索吊装设备逐节段拼装直至合龙。为实现拱肋节段无缝拼接，拟安装的拱肋节段必须沿着已安装拱肋节段的切线方向进行拼装。钢管混凝土拱桥在拼装过程中，为多点弹性支撑的悬臂梁，拱肋刚度小，主拱节段受到众多因素的影响产生线形偏差，不仅会增大施工风险，还会影响成拱质量。因此，科学合理的误差影响因素分析对于主拱线形的精确控制显得尤为重要。近年来，相关学者在主拱线形误差影响因素方面开展了大量研究，并取得了系列成果。主拱线形误差影响因素主要包括拱肋制作长度误差、拱肋间垫塞钢板、温度效应等，本文针对以上主拱线形误差影响因素进行分析探讨。

1 拱肋制作长度误差

受加工单位制作精度的影响，加工完成的拱肋起点到终点的弧长与理论弧长有一定偏差，这种偏差改变了拱肋弧长即为拱肋制作长度误差，将会对当前及后续拱肋节段测点的里程与标高产生影响[1]。

如图1所示，现有i个拱肋节段，各节段根部与水平线的夹角为iα，第i个拱肋节段制作长度误差为iL，根据几何关系，可推导出拱肋制作长度引起悬臂端点水平方向与竖直方向的位移偏差满足式（1）中的关系：

图1 拱肋制作长度误差的线形影响

式中：∆x——制作长度误差引起悬臂端水平方向位移偏差；

∆y——制作长度误差引起悬臂端竖直方向位移偏差。

则计入拱肋节段制作长度误差的悬臂端标高控制点坐标（x’i，y’i）与无拱肋制作长度误差悬臂端标高控制点的坐标（xi，yi）满足式中的关系：

可见，拱肋制作长度误差会导致拱肋悬臂端水平方向与竖直方向产生位移偏差，位移偏差大小不仅与制作长度误差相关，还与当前拱肋节段根部与水平线的夹角以及下一拱肋节段根部与水平线的夹角密切相关，并且各个拱肋节段间的制作长度误差会逐渐累积。在里程上的误差会稳定传递至后续安装的拱肋节段；标高误差会随着拱肋节段端头水平角度的减小而逐渐衰减。当某一拱肋节段存在制作长度误差时，后续拱肋节段安装时都应考虑制作长度误差对拱肋线形产生的影响。

2 拱肋间垫塞钢板对主拱线形的影响

钢管混凝土拱桥通常采用法兰盘进行主拱节段的连接，当法兰盘面板不平整或加工有偏差时，会使主拱节段间产生折角而出现不密贴的情况；或是施工人员将扣索张拉后的高程误认为是切线拼装高程，在主拱节段间出现了上张口和下张口，此时只能在节段间垫塞钢板，使拱段接头密贴[2]。

如图2所示，截面高度为h的主拱，产生宽度为δ的张口（垫塞钢板厚度），节段间产生的微小转角φ满足式（3）中的关系：

图2 主拱节段间垫塞钢板的线形影响

对图2（b）中的上张口，将已安装节段悬臂端截面下缘B'作为旋转点，待安装节段悬臂端截面中心C'点水平方向位移和竖直方向位移满足式（4）中的关系。

相对于主拱截面高度，垫塞钢板的厚度δ很小，即，因此cosφ≈1，sinφ≈φ。

同理，对图2（c）中的下张口段，以已安装节段悬臂端截面上缘B''为旋转点，待安装节段悬臂端截面中心点C''水平方向位移和竖直方向位移'满足式（5）中的关系：

式中：L1、L2——已安装节段悬臂端旋转点到待安装节段悬臂端中心点的长度；

α1、α2——直线L1、L2的水平倾角；

∆XEC、∆YEC——直线L1、L2的水平投影长度、竖直投影长度。

综上所述，垫塞钢板后会在拱肋节段间产生转角，从而引起后续安装的所有节段产生标高误差及里程桩号误差，并且垫塞钢板位置与后续安装拱肋节段标高控制点距离越远，拱肋节段截面高度越大，垫塞钢板引起的高程误差越明显。因此，施工过程中应谨慎使用钢板垫塞拱肋节。

3 温度效应

钢管混凝土拱桥拱肋节段拼装过程经历时间长，受日照、风力、海拔等因素的影响环境温度变化大，环境温度的升高与降低会引起扣索伸长或缩短，进而影响主拱安装高程；日照作用下，受到日照直射的一侧拱肋将会产生更大的伸长变形，主拱上下游拱肋产生变形差，引起主拱轴线产生横向偏差。为了减小温度效应对主拱安装线形的影响，施工过程中，通常选取温度相对比较稳定的清晨或傍晚调整主拱线形；针对无法避免的季节温差，必须计入温差对主拱线形的影响，首先，通过线性插值的方式确定主拱线形变化量，然后再修正拱肋高程的预抬[3]。

4 结束语

钢管混凝土拱桥主拱悬臂拼装过程中，拱肋制作长度误差、拱肋间垫塞钢板、温度效应都会导致拱肋节段里程桩号及标高产生一定偏差。这些误差一旦产生，若不及时调整，随着后续拱肋节段的安装，都会不断积累，最终导致成拱线形严重偏离目标线形。因此，每个拱肋节段拼装时，技术人员应严格监控拱肋节段的高程，一旦发现拱肋安装高程与理论值不符，应及时查明误差产生的原因，有针对性的采取措施调整安装线形。