大跨度钢管拱异位拼装整体纵移施工监测

2023-03-11张远征

科学技术创新 2023年4期

张远征

（中铁三局集团第二工程有限公司，河北石家庄）

引言

连续梁拱组合桥是拱与梁的有机组合结构，能充分发挥两种结构的优点，提高结构整体刚度与跨越能力等，具有极大优势。胡晓勇[1]等对广州南沙蕉门河车行桥施工过程中的拱肋、钢箱梁和吊杆等关键部位的应力、变形等力学参数进行监测。鲍丽丽[2]等以京沪高铁跨锡北运河为研究对象，采用自适应控制进行拱肋、系梁的线形监测，同时对施工过程中的应力、温度场、拱脚位移和吊杆的内力进行监测。高阳[3]等以武广客运专线东平水道大桥为研究对象，通过有限元法和现代监测技术，对桥梁施工过程中的拱肋和梁的线形、应力、环境温度等力学参数进行监测。还有其它学者[4-9]也对不同连续梁拱组合桥在不同施工阶段进行了力学和健康监测方面的研究。以一座大跨度连续梁拱组合桥的施工过程为研究对象，对钢管拱异位拼装全过程受力进行监测，分析其在各个施工阶段的力学特性，并同有限元分析结果进行比较，保障大跨度钢管拱的施工安全。

1 工程概述及施工方案

蕲河特大桥连续梁拱组合桥跨布置为(100+196+100)m，全长397.5 m。连续梁为预应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点梁高为5.5 m，中支点梁高12.5 m，梁底按1.6 次抛物线变化。钢管拱截面为哑铃型截面，拱内填充C55微膨胀混凝土，其计算跨径为L=196 m，设计矢高f=39.2 m，矢跨比1/5，拱轴线为抛物线，设计拱轴线方程为。两榀拱肋间共设置10 道桁架型横撑，吊杆顺桥向间距9 m，全桥共设20 组双吊杆。

钢管拱肋分为3 个部分，包括拱脚段、嵌补段和纵移段。其施工主要分为异位拼装、拼装支架拆除、整体纵移和钢管拱就位4 个阶段。在异位拼装施工阶段，先将钢管拱分为15 个阶段进行预制，然后运至施工现场拼装成9 个大节段，在非桥位89#～95#桥墩间箱梁上进行拼装支架的安装，并利用两台160 t 的汽车吊按照从拱脚至拱顶的顺序对称拼装至合龙。

其次是拼装支架拆除施工阶段，拆除之前要先安装4 组12 根Φ15.2 临时拉索，利用QYC-270 千斤顶一根一根进行张拉，再利用汽车吊从两侧向中间对称拆除支架。支架拆除期间即进行纵移轨道的铺设，同时在大里程方向临时拱脚处进行顶推液压千斤顶的安装，然后就可以利用2 台50 t 液压千斤顶对钢管拱进行整体纵移。当纵移到指定位置后，对钢管拱拱脚处进行混凝土浇注。最后还要对合龙口进行观测以便进行嵌补段进行施工。

2 钢管拱施工监测方案

根据钢管拱施工阶段进行监测，及时获取钢管拱在不同施工阶段的数据，实时得到钢管拱线形与应力状态，可针对施工过程中超出限制而做出有效措施，以保证钢管拱的施工满足设计要求。同时，现场监测数据还可作为有限元模拟有效数据支撑，保证有限元模型准确性。

2.1 应力监测

应力监测是检查钢管拱在施工阶段工作状态最有效的手段。钢管拱应力监测设备采用表面智能数码振弦式应变计。根据前期有限元分析的计算结果，在钢管拱计算跨径的1/4、2/4、3/4 截面的上、下边缘处粘贴应变计进行应力监测。

2.2 线形监测

钢管拱的施工线形会直接影响成桥线形，需要在钢管拱大节段前端截面上缘安装棱镜，利用全站仪测量相应测点的三维坐标，根据钢管拱的施工阶段，分别在钢管拱拼装阶段、支架拆除及拉索张拉、整体纵移到位进行线性监测。

2.3 临时拉索索力值监测

钢管拱拼装支架拆除之前会安装临时拉索，如果索力太小，钢管拱在支架拆除后会产生较大的水平推力，钢管拱也会产生较大的竖向位移，因此，临时拉索索力对钢管拱能否顺利纵移到位非常关键。目前索力值的现场监测主要方法有油压表测量法、压力传感器测量法、振动频率测量法。本文采用索力动测仪测量临时拉索的振动频率获取索力值，测量时应在温差及风速较小的状态下进行，以保证测量精度。

3 现场监测数据分析

根据钢管拱不同施工阶段，重点对其进行线性、应力、索力等力学参数进行监测，实时获取钢管拱在不同施工阶段的力学行为，监测结果如下所述。

3.1 线形监测结果

钢管拱异位拼装及支架拆除、整体纵移到位3 个施工阶段中测点轴线最大偏差5 mm，高程最大偏差4 mm，根据《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB50293-2013)规定，钢管拱肋拼装以及拆除临时支架后轴线偏差限值为L/6000=31.833 mm，拱圈高程偏差限值为L/3000=63.667 mm，钢管拱线形实测值在规范要求范围内，满足要求，见图1。

图1 钢管位移(单位：mm)

3.2 临时拉索索力监测结果

随着支架的拆除，临时拱脚处产生的水平推力不断增大，导致临时拉索所需内力也是不断增大的，临时拉索索力与初拉力设计值1 150 kN 之间存在一定的差别，主要原因如下：钢绞线逐根张拉需克服相互之间的摩檫力；拉索并未完全拉直，存在一定垂度，导致计算的比例系数存在一些偏差；拾振器绑扎出现松动，导致监测的振动频率存在误差等。

3.3 应力监测结果

左右两侧钢管拱应力变化趋势相近，均为先增大后减小。钢管拱在纵移过程中应力在-7.3～14.2 Mpa之间变化，结构在纵移过程中应力变化幅度不大，说明前进过程平稳。并且左右侧拱肋2/4 截面上缘和下缘均处于受拉状态，且应力呈反对称分布，见图2。

图2 右侧拱肋1/4 处应力曲线(单位：MP)

4 施工过程有限元数值分析

利用ABAQUS 有限元创建钢管拱、支架、风撑等实体单元零部件，钢管拱拼装节段间利用绑定约束来模拟连接，拱肋与风撑采用绑定约束进行连接，与拼装支架采用耦合进行连接。临时拉索采用受拉桁架单元，与临时拱座采用约束模拟连接。

通过有限元软件建模分析，钢管拱拼装完成后各个测点位置位移分析值与实测值对比，为了简便，此处仅列出钢管拱合龙后的实测值和有限元计算数值的对比数据，见图3。

图3 钢管拱合龙后位移对比(单位：mm)

根据施工现场临时拉索安装位置，利用ABAQUS建模计算，得到拆除支架前后临时索力所需的张拉力值。随着每组支架拆除，临时拱脚处水平推力不断增加，临时拉索索力值也不断增加。通过有限元软件建模分析钢管拱张拉后各个测点位置位移分析值与实测值对比，见图4。由图4 可知，实测值与有限元模拟值趋势一致，说明有限元数值分析和监测数据是可靠的。