三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥施工控制研究

2018-11-12黄国凯

福建建筑 2018年8期

黄国凯

(福建船政交通职业学院福建福州 350007)

1 概述

自20世纪90年代起，钢管混凝土拱桥凭借其经济性以及施工方面的优势，在我国已建成逾200余座，其中，中、下承式占了绝大多数[1]，而多跨连续下承式拱桥修建得不多。

钢管混凝土拱桥，在施工过程中涉及多次体系转换，造成各施工阶段内力的改变。同时，由于各种施工误差的影响，也容易导致钢管混凝土拱桥的内力和线形与设计理想状态有较大的偏差。因此，特殊桥梁施工过程中的监测和控制(即施工监控)成为目前许多大桥建造过程中一个必不可少的手段[2]。近年来，许多钢管混凝土拱桥在施工过程中均实施了施工监控[3-10]，由于建造数量的缘故，对多跨连续下承式钢管混凝土拱桥施工监控问题的研究较少。

针对上述问题，本文以一座三跨下承式哑铃形钢管混凝土刚架系杆拱桥为工程背景，以通用有限元软件ANSYS为手段，以拱肋应力、线形、系杆力等参数为控制目标，对拱桥的施工过程进行模拟分析和监控，研究成果可为今后类似桥梁的设计与施工提供借鉴。

2 工程概况

工程背景为三跨下承式哑铃形钢管混凝土刚架系杆拱桥，跨径分布为51m+80m+51m，桥面宽度为41.1m，双幅间距1m。设计汽车荷载为城-A级，设计时速为60km/h。桥梁总体布置图如图1所示。

图1 桥梁总体布置 (单位：cm)

拱肋采用哑铃型钢管混凝土截面，中孔和边孔拱肋钢管分别采用Φ900×14mm和Φ750×12mm规格，内灌C50混凝土。哑铃型上下钢管之间的腹腔，采用加劲板连接，除靠拱脚部分充填混凝土外，其余部位均无填充混凝土。采用一字形横撑将两根拱肋连接，中孔设置3根横撑，边孔设置2根横撑。

系杆采用无粘结钢铰线，中拱每根拱肋下系杆采用6束15Фj15.2mm无粘结高强低松弛钢绞线；边拱每根拱肋下系杆采用4束12Фj15.2mm无粘结高强低松弛钢绞线。

吊杆间距为5.0m，采用73Ф7高强低松弛平行镀锌钢丝。吊杆上端固定于拱肋上钢管，下端锚于横梁，通过张拉横梁下端实现吊杆张拉。为了提高桥道系的强健性，在系杆处设置混凝土加劲纵梁。

3 施工控制分析

3.1 有限元模型

采用通用有限元软件ANSYS建立了全桥的空间杆系有限元模型，如图2所示，全桥节点共计2362个，单元5324个。由于施工过程中必须保证全桥处于弹性工作阶段，该有限元模型不考虑材料的非线性，钢材和混凝土的材性根据规范设计值进行设置。

在有限元模型中，采用了空间梁单元和索单元两种单元形式。拱肋、横撑、加劲梁、横梁及下部结构采用空间梁单元模拟，吊杆和系杆采用索单元模拟，钢管混凝土拱肋采用双单元法[11]模拟。通过有效宽度的计算，将桥面板刚度分给纵梁和横梁，不考虑桥面铺装对刚度的贡献；通过集中质量法，考虑桥面板和桥面铺装的质量。

采用梁格法模拟整体式桥墩，将分散在板式每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，纵向刚度集中于纵向梁格构件内，横向刚度集中于横向梁格构件内。桩基础与承台单元固结，在拱座处采用刚臂与拱肋单元连接。桩基采用的是考虑水平荷载的弹性地基，在水平方向上施加土弹簧，用m法进行计算[2]。

图2 空间有限元模型

3.2 计算阶段

根据该桥的施工工序特点，在计算时选择了22个施工阶段，采用Si(i=1、2……22)表示，该桥右幅主要施工阶段示于表1。

表1 施工阶段

3.3 理论计算结果

利用建立的模型，求出在结构自重、水平系杆张拉力、二期恒载、1/2汽车活载以及收缩徐变作用下拱肋竖向位移、各墩顶水平位移和各承台的沉降位移，作为各工况下位移控制的依据。

工况S3(拱脚固结)、S10(管内混凝土浇筑完毕)、S18(桥面铺装浇筑完毕)、S21(1/2活载)的位移结果如图3所示。可以看出，中拱最大位移29mm，边拱最大位移13mm，均与设计预拱度(中拱预拱度28mm，边拱预拱度11mm)相接近，最大差值均在2mm以内。

图3 部分施工阶段的拱肋计算位移图

4 施工监控与分析

4.1 变形监控

变形监控包括桥墩位移和拱肋变形两个部分，最主要是拱肋的变形监控。图4为拱肋变形观测点布置图。由图4可知，拱肋变形观测点布置在部分吊点和拱顶处，全桥共布置68个观测点。

图4 拱肋变形观测点布置

图5为各施工阶段中拱拱顶和边拱拱顶实际位移结果与理论结果对比。可以看出，有限元计算拱肋位移的变化趋势与实测结果吻合良好。除个别工况外，位移计算值与实测值的最大偏差率均小于11.4%。因此，钢管混凝土拱桥拱肋线形符合要求。

4.2 拱肋应力监控

钢管混凝土拱桥的应力监测包括桥墩应力和钢管混凝土拱肋应力，最为主要的是拱肋应力监控。拱肋应力测点布置在拱顶和拱脚截面处，每个截面布置2～4个，共64个测点，如图6所示。采用振弦式应变仪进行拱肋应力监测。

(a)中拱拱顶

(b)边拱拱顶图5 拱肋实际位移结果与理论计算结果对比

图6 上游拱肋应力测点布置

图7为在不同施工阶段的上游中拱拱顶和边拱拱顶的应力实测值与理论计算结果对比。由图7可知，各监测截面的应力数值较合理，拱肋应力随系杆力的张拉发生了较大变化。全桥完成后钢管应力已全部为压应力。实测应力的变化规律与有限元计算结果一致，最大偏差率均小于18.9%。由于钢管混凝土拱肋存在焊接、初应力以及施工因素等问题的影响，使有些截面的应力实测值比理论值大，但是钢管压应力的数值均未超过Q345钢(16Mn钢)的规定值。

(a)中拱拱顶

(b)边拱拱脚图7 拱肋应力实测结果与理论计算结果对比

4.3 系杆力监控

系杆力是施工监控实施中监测与调整的重要参数之一。系杆力的测试，可以采用粘贴应变片法和振动频率法[12]。本文采取振动频率法测量系杆力。通过加速度传感器，测得各根系杆的动力响应，然后通过频域法(如FFT法)对测得的加速度响应进行频谱分析，获得系杆卓越频率，进而通过式(1)，将卓越频率或频率差换算为系杆力[13]。

(1)

式中，T—系杆张力；

m—系杆线密度；

L—系杆计算长度；

f—系杆第n阶频率；

n—频率的阶数；

f—各阶频率差的平均值。

中拱系杆力的监测结果如表2所示。由表2可知，因系杆在拱脚处有两次转向，而使得管道对预应力的损失较大，系杆力在1270kN～1285kN之间，与设计值的偏差在5.46%～6.57%之间，因此，系杆的张拉力与实际值差别不大。

表2 中拱系杆力监测结果

4.4 气温及温度场的监控

温度对于钢管混凝土拱桥变形和应力有重要影响[2,14]，在拱桥施工中温度变化，主要由大气和混凝土水化热[15]引起。对钢管混凝土拱肋的钢管、管内混凝土进行温度监测。温度测点布置同应力测点，并对中拱拱脚和拱顶截面进行测点加密，如图8所示。

图8 温度测点布置

右幅桥上游中拱下弦管管内混凝土于5月13日22点14分浇筑完毕，36h内对混凝土在硬化过程中水化热引起的温度变化进行连续观测，观测时间间隔为1～2h，拱脚截面温度监测结果如图9所示。拱脚和拱顶截面温度的上升和下降基本同步，均在管内混凝土浇筑后约18h开始升温，这表示管内混凝土水化热开始；26h左右达到最高温度55°C，管中心与外管壁最大温差达22.2°C；随后，温度开始下降，管内混凝土水化热结束。监测结果表明，管内混凝土水化热开始和经历的时间各不相同，说明管内混凝土的稳定性不是很好，但相差不大。

(a)管内温度传感器

(b)管外温度传感器

采用移动式自动气象站对大桥周围的大气温度场进行监测，获得钢管混凝土拱桥拱肋处太阳辐射、环境温度、风速风向等的变化。从结果可以看出，监测期间环境温度在白天最高达34.6°C，夜间在凌晨降到最低温度26.9°C；白天的环境湿度低于夜间，辐射值在中午最强，夜间辐射值为0；监测期间风向不定，风速较小。监测期间中拱脚截面测点的最高温度达45.6°C，与该时刻的环境温度温差为12.6°C，为日照温度产生的温度应力提供实测数据[16]。