路方超，吴海军，陆萍，廖超

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400047)

1 工程概况

图1 主桥立面布置示意图 图2 拱肋截面示意图

新建广安官盛渠江大桥位于广安市前锋区，为跨越官盛镇和护安镇，改善广安规划工业园区的物流交通状况而建设的大跨径中承式劲性骨架拱桥。官盛渠江大桥的立面布置图如图1所示，图1中单位为m。拱肋外包混凝土后截面示意图如图2所示，图2中单位为cm。主孔净跨径300 m一跨过江，不考虑船撞，全桥长793 m，其中主桥长320 m，引桥长(338+135) m；净矢跨比f/L=1/4，拱轴系数m=1.5。拱圈为单箱单室的箱型截面，拱肋的拱脚至拱顶截面径向高度为3.5～6.0 m，为悬链线，拱肋的宽度为3.0 m；拱脚至两立柱中间顶、底板和腹板厚度线性渐变。起拱线标高为235.023 m，拱顶桥面中心标高为269.077 m。引桥上部结构采用预应力混凝土简支T梁,标准跨径为30 m，梁中心高度为2.0 m，下部结构采用分幅式花瓶桥墩和桩基础。劲性骨架的拱圈由上、中、下三道主弦杆通过空钢管连接而成，其中上弦杆和下弦杆采用Φ351 mm×(14～18) mm，中弦杆采用Φ273 mm×(10～12) mm，采用缆索吊装斜拉扣挂法[1-2]安装拱圈骨架，主弦杆用C100的混凝土灌注[3-4]，两拱肋间用“一”字型横撑进行连接。拱肋、横撑和横梁外包混凝土采用C50，拱肋采用分环浇筑[5-14]，最后对称浇筑横撑、横梁外包混凝土，施工时满足“对称、同步”的总体要求。

2 有限元模型

图3 外包混凝土分段编号示意图(半跨)

2.1 拱肋外包混凝土施工过程

拱肋外包混凝土采用上下游两岸拱肋4个工作面同步对称浇筑，均采用先“一三”工作面，再“二四”工作面的方式。浇筑顺序为：上下游1-1→上下游3-1→上下游2-1→上下游4-1→……→上下游1-5→上下游3-5→上下游2-5→上下游4-5依次交替进行，完成拱肋外包混凝土上下环的浇筑。外包混凝土分段编号示意图(半跨)如图3所示。先浇筑下环底板和一部分腹板混凝土，再浇筑上环另一部分腹板和顶板混凝土，拱肋外包混凝土分环浇筑时上下环浇筑截面示意图如图4所示。

图4 上下环浇筑截面示意图 图5 全桥有限元模型

2.2 有限元模型建立

采用Midas/Civil 2015对全桥进行模拟，包括单元的划分、参数选取及对各单元之间连接的处理，有限元模型如图5所示。其中钢管和内灌混凝土采用统一理论[15-21]，把钢管和混凝土换算成一种新材料，用梁单元模拟；拱肋外包混凝土采用梁单元模拟；吊杆用桁架单元模拟；桥面钢板用板单元 模拟。对拱肋进行外包混凝土施工过程中采用有限元的激活、钝化功能[22]。拱肋外包混凝土分两环进行浇筑,下环混凝土湿重荷载采用节点荷载加在两下弦钢管上，待下环混凝土形成刚度后浇筑上环混凝土，上环混凝土湿重按照均布荷载加在下环混凝土上。拱圈外包混凝土施工工况见表1。

表1 拱圈外包混凝土施工工况

3 施工监控方案及测点布置

在拱肋外包混凝土施工过程中，严格监控混凝土拱圈应力、拱肋线形变化趋势。由于应力测试的不稳定性，容易受施工过程的影响，而拱圈变形的控制相对准确、直观和易于实现，所以拱肋外包混凝土的监控以线形控制为主[23-25]，应力控制为辅,以此来评价结构是否安全，对下一步施工具有指导意义[26]。

拱肋外包混凝土应变计采用长沙金玛JMZX-215智能弦式数码埋入式混凝土应变计，在拱肋外包混凝土之前安装；采用全站仪分别测量劲性骨架拱轴线竖直、水平平面内重点截面的高程及横向偏位。

3.1 拱肋外包混凝土体内应力测点布置

按照施工监控方案的要求，下环拱肋外包混凝土体内应力测试断面分别布置在护安侧上游和官盛侧下游1-1、2-1、3-1、4-1前端处前1 m范围内和4-5末端(靠近拱顶)处后1 m范围内，每个截面布置2个混凝土体内应变计，下环共计20个。测点均布置在下缘拱肋两侧钢筋上。上环拱肋外包混凝土体内应力计全桥布设，分别在上下游1-1、2-1、3-1、4-1前端处前1 m范围内和4-5末端(靠近拱顶)处后1 m范围内，每个截面布置2个混凝土体内应变计，下环共计36个。测点均布置在上缘拱肋两侧钢筋上。下环护安侧上游拱肋外包混凝土体内应力测试断面布置示意图如图6所示。

3.2 拱肋外包混凝土线性测点布置

监控测量选取劲性骨架上下游第3节段(靠近L/4)测点、3L/8截面测点和拱顶测点等变形较大的点作为主要监测观测点。在上弦钢管外侧表面立棱柱作为观测点。拱圈劲性骨架线形测量测点布置示意图如图7所示。

图6 外包混凝土土体内应力测试断面布置示意图 图7 拱圈劲性骨架线形测点布置示意图

4 施工监控结果

4.1 混凝土体内应力

按照监控方案的要求，在相应位置埋设应力计，并进行数据的采集、处理，与理论计算数据进行对比分析。典型断面1-1、3-1的应力监控结果如表2所示，其中下环实测应力取各监控断面下缘各测点的平均值，上环实测应力取各监控断面上缘各测点的平均值。各典型断面的混凝土应力如图8所示。

混凝土体内应力测试方法是通过结构体弹性模量将应变换算成应力

σ=Eε，

式中：σ为混凝土体内应力；E为混凝土弹性模量；ε为荷载、温度等影响的总应变,ε=εd+εn=εm-(T-T0)(F-F0)-εo,其中εd为荷载作用下结构的弹性应变，εn为温度等作用下结构的无应力应变，εm为测量应变(结构体被施力或者其他情况影响时的应变)，εo为初始应变(应变计安装完成、结构体稳定后的应变)，T为测量时的温度，T0为初始温度，F为一般情况下钢筋混凝土的线膨胀系数，F=10-5/℃,F0为钢弦的线膨胀系数,F0=12.2×10-6/℃。

混凝土体内应力的测试，除了与荷载有关之外，还与温度、混凝土的收缩、徐变、应变计初读数的取值、测量时的误差等因素有关。

表2 典型截面应力 MPa

a)浇筑下环4-5下环应力 b)浇筑上环4-5下环应力 c)浇筑上环4-5上环应力图8 混凝土应力图

从表2中可以看出，绝大部分误差都在1.00 MPa以内，上下环应力总体上随着拱肋外包混凝土的增多而增大，混凝土体内实测应力与计算应力变化趋势基本一致。中间误差增大导致中间过程应力实测值与理论值偏离，主要是拱肋外包混凝土各阶段浇筑过程中实际荷载与理论计算荷载不完全一致，因此外包混凝土过程中，应严格按照设计要求进行施工；混凝土浇筑时应注意两岸、上下游施工的相互协调，保持同步性；两岸、上下游施工平台、钢筋及模板施工应尽量做到同步，荷载、龄期等对称。

4.2 拱肋线形

按照施工监控方案的要求，对拱肋外包混凝土施工各阶段拱圈劲性骨架线形的监控测量数据进行分析，为更好评价外包混凝土对拱圈变形的影响，拱肋外包混凝土拱圈劲性骨架线性采用相对计算高程(简称理论高程)，起点为外包开始前实测的上弦钢管顶面高程，有

Hxl=Hsc+v+ht,

式中：Hxl为当前阶段相对于外包开始前实测的上弦钢管顶面高程的理论计算高程；Hsc为外包开始前实测的上弦钢管顶面高程；v为当前阶段相对于外包开始前荷载产生的骨架相对变形；ht为当前阶段相对于外包开始前温度产生的骨架相对变形。

拱顶的变形如表3所示，各阶段理论高程已经过温度修正。

根据表3可知，多数实测高程与理论高程之差小于50 mm，整个拱肋外包混凝土施工过程中，实测高程变化与理论高程变化趋势基本相符。下环外包混凝土合龙后，上游拱顶实测高程与理论高程偏差为0.013 m，下游拱顶实测高程与理论高程偏差为0.014 m；上环外包混凝土合龙后，上游拱顶实测高程与理论高程偏差为-0.001 m，下游拱顶实测高程与理论高程偏差为-0.022 m。实测高程与理论高程产生偏差及两拱肋变形差值不完全一样，与外包开始前实测的上弦钢管顶面高程不一致、温度取值、两岸、上下游不完全对称浇筑混凝土、测量误差、数值模拟等因素有关，导致不完全一样，其中两岸、上下游不完全对称浇筑混凝土是最要的影响因素。

表3 拱顶变形 m

拱肋线形测量应与拱肋外包混凝土体内应力的测量同步，便于对结构进行评价，当线形实测值与理论值吻合的不好时，方便及时找出原因。线形测量时应尽量在日出前进行，以减少日照温差对拱肋线形的影响。线形测量时应准确记录测量时的实际工程进度、混凝土龄期、荷载分布情况、测量时温度、时间等参数，以便分析比较时进行准确计算。

由表2可以看出，在一定的范围内，不对称加载荷载对混凝土应力的影响并不明显。由表3可以看出，在下环混凝土合龙之前，理论高程和实测高程的差值相对较大，这是由于钢管混凝土在外包混凝土还未合龙之前，外包混凝土还未参与整体受力，骨架刚度比较小，对荷载不对称作用比较敏感，在这个阶段可以通过缆风索、重力式加载水箱等方式进行调节。但在浇筑上环混凝土时，由于下环混凝土已经形成刚度，全桥结构刚度大，采用缆风索、加载水箱等方式调节效果不明显，可以采用调整上环混凝土浇筑顺序来调节，但要注意拱脚拉应力是否超标。由于本桥跨度比较大，浇筑下环混凝土时理论高程和实测高程的差值在允许范围内，采用调整上环外包混凝土合龙段的浇筑顺序，由以前的“1324”变为“1234”，并且保证浇筑上环混凝土时对称浇筑，避免差值进一步扩大即可。另外本桥设置有足够的预拱度，对确保全桥顺利合龙提供保障。

5 结论

1)在拱肋外包混凝土施工监控过程中，合理布置监控测点，严格监控混凝土拱圈应力以及拱肋线形变化趋势。拱肋线形测量应与拱肋外包混凝土体内应力的测量同步，便于对结构进行评价。

2)外包混凝土过程中，两岸、上下游不对称浇筑混凝土对混凝土体内应力和拱肋线形均有影响，施工时应尽量做到对称、同步、均衡施工。

3)采用分环浇筑混凝土时，在下环混凝土合龙之前，外包混凝土还未参与整体受力，骨架刚度比较小，对荷载不对称作用比较敏感，在这个阶段可以通过缆风索、重力式加载水箱等方式进行调节。但在浇筑上环混凝土时，由于下环混凝土已经形成刚度，全桥结构刚度大，采用缆风索、加载水箱等方式调节效果不明显，可以采用调整上环混凝土浇筑顺序来调节。对后续同类桥梁的施工提供宝贵的经验。