開口薄壁箱轉(zhuǎn)體拱橋施工控制的關(guān)鍵技術(shù)

鐘 偉

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司試驗檢測中心)

開口薄壁箱轉(zhuǎn)體拱橋施工控制的關(guān)鍵技術(shù)

鐘 偉

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司試驗檢測中心)

摘 要:以貴州花江大橋為工程背景，根據(jù)混凝土開口薄壁截面轉(zhuǎn)體拱橋的施工控制特點，論述了該類型橋轉(zhuǎn)體施工控制的結(jié)構(gòu)計算分析、轉(zhuǎn)動體系重心位置計算、索力的確定、背墻及上轉(zhuǎn)盤的受力安全、開口薄壁拱肋的受力和變形以及穩(wěn)定性分析、現(xiàn)場施工監(jiān)測的實施、磨心和磨蓋的施工監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)。為同類型橋梁的施工控制提供了有利的參考。

關(guān)鍵詞:施工控制;混凝土拱橋;轉(zhuǎn)體施工;開口薄壁

1 工程背景

花江大橋位于貴州S210線上，跨越北盤江，主橋結(jié)構(gòu)為上承式普通鋼筋混凝土箱形拱橋，凈跨140 m，凈矢高28 m，凈矢跨比1/5，拱軸系數(shù)m=1.998。主拱圈是等截面懸鏈線單箱三室箱形拱結(jié)構(gòu)。為了減輕轉(zhuǎn)動體系重量，主拱圈混凝土分成兩期澆筑，一期混凝土在岸上現(xiàn)澆為開口薄壁箱拱，側(cè)壁和底板基本均為10 cm，待拱圈轉(zhuǎn)體合攏成拱后再補足側(cè)壁和底板至設(shè)計厚度25 cm并且澆筑拱圈頂板。轉(zhuǎn)動體系由開口薄壁箱拱肋、交界墩背墻、扣背索、磨心、磨蓋、倒椎體、上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤組成。其理論設(shè)計質(zhì)量約3 800 t，為有平衡重的轉(zhuǎn)體施工橋。

2 轉(zhuǎn)體施工控制的關(guān)鍵

2.1 結(jié)構(gòu)建模計算分析

2.1.1 花江大橋靜力模型的分析處理

由于該轉(zhuǎn)體施工拱橋各結(jié)構(gòu)的受力、空間位置和傳力體系的復(fù)雜性，運用通用有限元軟件Midas對整個轉(zhuǎn)動體系進(jìn)行靜力分析建模時，應(yīng)作一些合理的簡化處理，并最大程度地確保簡化后的模型重量、剛度不變以及邊界條件的合理性。

(1)扣索的模擬。

扣索的模擬一般可采用三種方法。

①曲線索單元法

當(dāng)扣索較長時，扣索在自重作用下形成的懸鏈線可用一個或多個曲線索單元來模擬，其剛度矩陣可由拉格朗日插值函數(shù)或多項式并考慮扣索在節(jié)點上的位移關(guān)系來確定。

②分段直桿法

將扣索當(dāng)作多段彈性直桿單元來模擬，即用分段的鉸接桿來離散扣索，扣索的自重和外荷載作用在節(jié)點上，桿的軸向剛度需要考慮重力剛度。

③等效彈性模量直桿單元

用考慮垂度效應(yīng)影響的有效彈性模量的直桿單元代替實際的扣索，其等效的彈性模量可采用Ernst公式計算。

采用第三種方法對鋼絞線扣索進(jìn)行模擬，并結(jié)合花江大橋扣索的基本參數(shù)，計算該橋扣索的等效彈性模量。等效彈性模量Eeq的公式如下:花江大橋扣索由48根Φ15.24的鋼絞線組成，其彈性模量為1.95×105MPa，為了簡化建模，根據(jù)截面面積和剛度等效的原則將實際48根扣索等效為8根，即每列6根簡化為1根，等效彈性模量Eeq的表達(dá)式如下:

式中:E為不考慮索垂度影響的彈性模量，即索的實際彈性模量，kPa;σ為索的應(yīng)力，kPa;l為索的水平投影長度，m;γ為索的容重，kN·m-3。

考慮垂度效應(yīng)影響后，由以上公式計算得出扣索的等效彈性模量為1.94×105MPa，與等效換算前相比相差僅0.5%，變化微小，因此，該橋當(dāng)中扣索的垂度效應(yīng)影響可以忽略不計，扣索的模擬可選用能反映該結(jié)構(gòu)受力特性的空間桁架單元，所選的桁架單元不僅能模擬扣索的預(yù)應(yīng)力張拉，而且由于桁架單元的單元形式比較簡單，也便于模型的計算。

(2)扣、背索與結(jié)構(gòu)錨固端的處理。

為保證結(jié)構(gòu)分析的精度，必須對扣、背索錨固點準(zhǔn)確定位，建模時扣、背索與其相應(yīng)結(jié)構(gòu)的錨固端節(jié)點并不一定重合，需采用剛臂連接的方式對其相應(yīng)位置的節(jié)點進(jìn)行耦合。扣索的模擬由于將每列6根簡化為了1根，簡化后應(yīng)注意扣索在拱肋的錨固點位置，為實際扣索合力作用點的中心位置，確保扣索的水平傾角與設(shè)計一致，不能為了簡化而直接錨固在腹板節(jié)點上，并應(yīng)保證扣索的平行，不產(chǎn)生橫向偏心彎矩;扣索的建模簡化不當(dāng)對結(jié)構(gòu)的分析計算將會產(chǎn)生較大的影響，因此需特別注意。

(3)拱肋與上轉(zhuǎn)盤實體連接的處理。

由于建模時拱肋和上轉(zhuǎn)盤分別采用厚板和實體單元進(jìn)行模擬，節(jié)點位置并不一定能剛好重合，因此拱腳處板單元與上轉(zhuǎn)盤實體單元采用剛臂聯(lián)接，用來耦合節(jié)點的自由度，節(jié)點耦合的范圍應(yīng)與實際拱肋的板厚相吻合。

(4)鋼筋籠、型鋼骨架橫隔板的處理。

在進(jìn)行靜力分析時，為了簡化建模，將型鋼骨架橫隔板、鋼筋籠等效為節(jié)點荷載施加于模型對應(yīng)位置上，然后分別對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)各個部分的模型進(jìn)行自重檢驗，需滿足精度要求。

(5)拱肋支架的處理。

為了分析轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在整個張拉脫架過程的受力狀態(tài)，采用只受壓單元來模擬滿堂支架對開口薄壁拱肋的支撐作用，該類單元受拉時自動與拱肋脫開，受壓時才起到支撐作用，能較好的模擬結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)。

2.1.2 花江大橋穩(wěn)定性模型的分析處理

考慮到結(jié)構(gòu)的實際特點以及拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特征，運用空間有限元軟件ANSYS對該橋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)體系張拉脫架后進(jìn)行穩(wěn)定性分析建模，對拱肋進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，考慮到背墻水平回彈位移較小，且背墻作為一個配重的實體結(jié)構(gòu)，相比開口薄壁拱肋而言，并非失穩(wěn)研究的主體，因此僅建立“扣索—拱肋”體系模型。將鋼筋籠和型鋼骨架橫隔板按實際位置建模，不再按節(jié)點荷載等效;扣索在背墻的錨固端以及拱腳的邊界條件均采用固結(jié);其中扣索采用單元Link10模擬，拱圈的腹板、底板、混凝土橫隔板均采用Shell63單元模擬，鋼筋籠采用 Link8單元模擬，型鋼骨架橫隔板采用Beam44單元模擬。

2.2 轉(zhuǎn)動體系重心位置計算

轉(zhuǎn)動體系由扣、背索、半拱肋、上盤、背墻組成，其重量約為3 800 t。轉(zhuǎn)體時，轉(zhuǎn)動體系僅是在下盤磨心球面的支撐下進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動，無任何其它的支撐點。因此，要確保轉(zhuǎn)體施工的安全并防止結(jié)構(gòu)整體傾覆，就必須正確計算轉(zhuǎn)動體系的重心位置以便嚴(yán)格控制其偏心狀態(tài)。且這項工作必須在結(jié)構(gòu)實施轉(zhuǎn)體施工之前完成。

配平衡重轉(zhuǎn)體橋的重心位置計算可根據(jù)彎矩等效原則，運用Midas進(jìn)行建模分析，并依據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果把轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的重心位置換算出來，再根據(jù)這個結(jié)果調(diào)節(jié)平衡配重重量，以確保重心位置始終落在磨心上。

由于轉(zhuǎn)動體系構(gòu)造十分復(fù)雜，上述計算過程就會十分繁瑣，所以必須保證計算的精度，以免遺漏和錯算，并且要與施工單位和設(shè)計單位的計算結(jié)果進(jìn)行校核，對產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行仔細(xì)分析，直到誤差滿足要求。

2.3 索力的確定

轉(zhuǎn)動體系張拉脫架階段的扣索索力至關(guān)重要，扣索合力的大小對開口薄壁拱肋的內(nèi)力和拱軸線型有較大的影響。它的大小直接關(guān)系到扣索數(shù)量的確定和主拱圈線形的控制，由于背索索力由扣索索力決定，在求出扣索索力后，利用扣索，背墻，背索三者的平衡關(guān)系即可求出背索索力。因此精確的計算出扣索索力的大小是關(guān)鍵。

2.4 背墻的受力安全

本橋轉(zhuǎn)動體系中交界墩背墻的高度達(dá)到32 m，它不僅轉(zhuǎn)動體系的配重結(jié)構(gòu)，而且還是扣索的錨碇反力墻，為了平衡扣索的水平力，在交界墩背墻頂部和上轉(zhuǎn)盤尾部間還設(shè)有背索，背墻不僅體積尺寸大，更是結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，是轉(zhuǎn)動體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，因此分析其轉(zhuǎn)體張拉脫架過程中的受力安全非常必要。主要從以下幾方面進(jìn)行分析:(1)驗證扣、背索分級張拉順序的合理性，以及扣、背索分級張拉原則的問題;(2)背墻預(yù)應(yīng)力張拉效應(yīng)的問題，即對背墻受力安全的敏感性進(jìn)行分析的問題。

2.5 上轉(zhuǎn)盤的受力安全

上盤在施工時承受拱圈、背墻、背索等外力的作用，并通過磨心、磨蓋的球鉸實現(xiàn)平轉(zhuǎn)，受力十分復(fù)雜，因此，需對其進(jìn)行受力分析，為現(xiàn)場施工控制提供理論參考。上轉(zhuǎn)盤受力的最不利階段為扣、背索索力張拉到位后，形成磨心、磨蓋單點支撐的受力轉(zhuǎn)動體系時，因此重點對該最不利工況進(jìn)行受力分析。

2.6 開口薄壁拱肋的受力及變形

開口薄壁拱肋受力安全的問題主要在于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體張拉脫架階段，拱肋在此工序前還是由各自的支架支撐，只有當(dāng)張拉索的拉力張拉到設(shè)計噸位、拆除拱圈及上轉(zhuǎn)盤的支撐架后，拱圈、背墻、上轉(zhuǎn)盤的重量全部由磨心承擔(dān)，轉(zhuǎn)動體系才能形成。在此過程中主要存在以下一些影響結(jié)構(gòu)安全的問題:(1)拱頂扣點的合理錨固區(qū)域問題;(2)扣索張拉力的變化對拱圈受力及變形的影響問題;(3)溫度對索變形的影響從而引起拱肋受力及變形的安全問題;(4)轉(zhuǎn)體施工過程中動力效應(yīng)對拱圈受力影響的問題。

2.7 開口薄壁拱肋的穩(wěn)定

橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能，它與橋梁結(jié)構(gòu)的強度有著同等甚至更重要的意義。現(xiàn)在，橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性已逐漸引起人們的重視，但人們主要注重的是橋梁建成以后的穩(wěn)定性，而對施工過程中可能出現(xiàn)的失穩(wěn)問題還沒有引起相對重視及可靠的監(jiān)測手段，尤其是隨著橋梁跨徑的不斷增大，受動荷載或突發(fā)情況的影響，還沒有快速反應(yīng)系統(tǒng)，目前主要是通過提前進(jìn)行穩(wěn)定分析計算，并結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形情況來綜合評定和控制橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

對于貴州花江大橋，在結(jié)構(gòu)脫架形成轉(zhuǎn)動體系后，由于是磨心單點支撐的受力形式，并且拱肋處于最大懸臂狀態(tài)，此階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題最為突出，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題直接影響到轉(zhuǎn)體施工過程的安全，因此，要確保大橋在轉(zhuǎn)體過程中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，就必須對該階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，弄清影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素并加以重點監(jiān)控。

2.8 現(xiàn)場施工監(jiān)測的實施

(1)位移監(jiān)測。

位移監(jiān)測的目的是弄清結(jié)構(gòu)在外力作用下的結(jié)構(gòu)實際幾何形態(tài)，它包括拱肋、上盤頂和背墻頂?shù)淖冃危瑥亩鵀檗D(zhuǎn)體施工控制提供依據(jù)。

待平轉(zhuǎn)基本就位時，即采用點控，校正軸線，反復(fù)微調(diào)直至滿足設(shè)計精度。兩岸拱肋平轉(zhuǎn)到位之后，還將可能出現(xiàn)兩岸拱肋端頭水平、豎直及扭轉(zhuǎn)錯位的情況，因此還應(yīng)對其進(jìn)行調(diào)整以滿足合攏精度。其具體措施有:用大噸位千斤頂頂升上盤，調(diào)整兩拱肋呈現(xiàn)水平狀態(tài);兩拱肋之間上下交叉拉鋼絲繩，調(diào)整拱肋扭轉(zhuǎn)錯位。

(2)應(yīng)力監(jiān)測。

關(guān)鍵部位應(yīng)力監(jiān)測是通過有效的測控方法，并借助高精度的測試儀器，測出轉(zhuǎn)體各關(guān)鍵截面的應(yīng)力值，為轉(zhuǎn)體施工的各階段提供控制數(shù)據(jù)的實測值，并將其與理論值進(jìn)行對比分析，對成橋狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)預(yù)測與分析，避免在施工中出現(xiàn)過大應(yīng)力而危害結(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)體施工的安全。應(yīng)力監(jiān)測主要分為六個階段:①拉索張拉過程中;②拉索張拉至設(shè)計值穩(wěn)定后;③拱圈完全脫架后;④轉(zhuǎn)體前;⑤合龍前;⑥二期混凝土澆筑過程中。

(3)索力監(jiān)測。

扣索合力的大小對拱圈的內(nèi)力和拱軸線有較大的影響。此外，扣索的合力與開口箱底板的距離對轉(zhuǎn)體階段開口箱底板的內(nèi)力影響較大，特別是拱頂錨板段附近，因此必須對扣索的張拉力大小實行測量控制。并且背墻、半跨拱肋在此工序前還是由各自的支架支撐，只有當(dāng)張拉索的拉力張拉到設(shè)計噸位、拆除拱圈及背墻的支撐架后，拱圈及背墻重量由磨心承受，轉(zhuǎn)動體系才能形成。為使轉(zhuǎn)體過程中拱肋受力狀態(tài)的合理和安全，要求實際索力與設(shè)計索力的誤差控制在容許范圍之內(nèi)，保證拱圈在轉(zhuǎn)體過程不會扭壞。

(4)拱肋二期混凝土澆筑過程的監(jiān)測。

為了減輕轉(zhuǎn)動體系的重量并且考慮到經(jīng)濟上的要求，花江大橋的轉(zhuǎn)動體系的拱肋采用的是開口薄壁截面。當(dāng)轉(zhuǎn)體合攏后澆筑拱肋二期混凝土與頂板混凝土?xí)r，開口薄壁拱肋作為承重結(jié)構(gòu)，由于受到新澆混凝土的荷載，其線形和應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生重大改變。為了確保在此期間拱肋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在二期混凝土澆筑過程中對大橋進(jìn)行線形、應(yīng)力監(jiān)測，確保施工期間結(jié)構(gòu)安全，并為相關(guān)科研提供相應(yīng)的實測資料。

2.9 磨心、磨蓋的施工監(jiān)測

磨心、磨蓋的施工精度直接關(guān)系到轉(zhuǎn)體施工的安全與平穩(wěn)，尤其應(yīng)注意的是，磨心施工決定了磨蓋施工的精度，因此須重點控制好磨心施工的精度。為此，須對磨心軸垂直度、磨心平整度進(jìn)行監(jiān)測，磨心軸垂直度在兩個平面內(nèi)都進(jìn)行檢測(見圖1)。磨心表面上的測點是選取同心圓上的點，要求同心圓上的測點等高，同心圓半徑的間距15 cm，測點的間距約20 cm，每個同心圓上的測點高差不大于1 mm。

圖1 磨心軸垂直度檢測示意圖

3 結(jié)論

通過貴州花江大橋的順利轉(zhuǎn)體合攏及最后順利建成通車的施工結(jié)果表明，針對該類橋施工控制的結(jié)構(gòu)計算分析、轉(zhuǎn)動體系重心位置計算、索力的確定、背墻及上轉(zhuǎn)盤的受力安全、開口薄壁拱肋的受力和變形以及穩(wěn)定性分析、現(xiàn)場施工監(jiān)測的實施、磨心和磨蓋的施工監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)的施工控制是行之有效的，達(dá)到了預(yù)期的效果。為以后同類型橋梁的轉(zhuǎn)體施工及控制提供了有利的參考。

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中圖分類號:U445

C

1008-3383(2011)06-0182-02

收稿日期:2011-04-11

作者簡介:鐘偉(1982-)，男，湖南益陽人，碩士，研究方向:橋梁結(jié)構(gòu)分析與工程控制。