下承式鋼筋混凝土異型系桿拱橋的施工監控技術

張祖杰

（上海市市政公路工程檢測有限公司，上海市 200031）

0　引言

隨著現代化城市的快速發展，人們對城市建筑結構物的美學效果追求越來越高，因此各種側重美觀效果的建筑物和橋梁不斷得到設計者的青睞，異型拱橋就是近年來城市建設較多的橋梁型式之一，然而由于異形橋梁的結構造型特殊、受力復雜，對施工技術的要求也越來越高[1,2]。

異型拱橋隨施工階段的不同而變化，結構的最終形成須經歷一個時間跨度長而又復雜的施工與體系轉換過程。異型拱橋在施工過程中可能存在著許多誤差，多種因素可能對成橋目標的實現產生干擾，并可能導致成橋線形及內力狀態與設計要求不符等問題。因此，進行異型拱橋的施工監控變得非常關鍵[3,4]，本文依托上海市大慶橋-下承式鋼筋混凝土異型系桿拱橋為背景，研究異型拱橋的施工監控技術，試圖為異型橋梁的施工提供技術參考。

1　依托工程概述

1.1　工程概況

大慶橋位于“上海之魚”區域內湖堤路上，為單跨市政道路景觀橋梁，橋長60 m，橋寬30.2 m，采用下承式異型拱、梁組合體，為剛拱剛梁自平衡體系，見圖1。橫橋向采用兩片主拱肋，主拱肋為反對稱布置，拱肋為矩形鋼筋混凝土，拱肋采用平面內偏二次拋物線，矢跨58.47 m，矢高14.04 m，矢跨比1/4.165；主梁為縱橫梁組合梁格式結構，縱橫梁均為預應力混凝土結構。全橋兩拱布置10對斜拉系桿，系桿與水平夾角為54°，系桿水平間距5 m，系桿下端錨固于橫梁底，上端錨固于拱肋頂部錨槽內部。

圖1　大慶橋實景圖

根據大慶橋的構造特點，其傳力體系為：拱肋與縱梁共同承重，拱腳采用拱梁固結；主拱產生的水平推力由縱梁預應力承擔，形成豎向平面內自平衡體系，縱橫梁組合形成平面內框架體系；荷載由橋面板傳到橫梁再到縱梁，由縱梁傳給吊桿再傳到拱肋，由拱肋傳到拱腳、基礎。

1.2　施工過程

大慶橋采用先梁后拱的施工技術，總體上施工劃分為6個階段，見表1。

2　施工監控內容及方案

根據本橋特點，由于系桿和拱肋都是不規則的傾斜，施工中具有較大的難度，為了及時掌握結構的實際受力與變形狀態，需要對各個施工步驟進行監控，防止誤差進行累積，以影響成橋線形和受力狀態。結合本橋特點，需要對拱肋與縱梁的線形和應力進行監測，也需要對系桿張拉過程進行監測，以確保結構受力狀態安全可控。

表1　大慶橋的施工順序

2.1　結構線形的監控方案

對于拱肋的線形，拱肋施工時在每側拱肋底模板對應于吊桿錨固點位置、兩吊桿中間及拱腳位置設置線形控制檢測點，見圖2，每側拱肋設置24個測點，全橋共計48個。采用精密全站儀檢測各關鍵點的軸線平面位置和高程，以確保拱肋的空間位置滿足設計線形要求。

圖2　拱肋線形測點圖

同時，設置縱梁的變形監測點，分別在縱梁近西端部、L/4、L/2、3L/4、近東端部共 5 個斷面，每個斷面南北各1個點，每側縱梁10個監測點，全橋共計20個點。在支架預壓及施工全過程都對支架上的變形點進行監測。

2.2　結構應力的監控方案

為了掌握施工過程關鍵斷面的拱肋和系梁的應力狀態，在每側拱肋的跨中、L/4、3L/4及拱腳斷面各設置2個應力測點，全橋拱肋上共計應力測點20個。在每側縱梁的跨中、L/4及3L/4斷面各設置4個應力測點，全橋縱梁上共計應力測點24個。在端橫梁、2#中橫梁及5#中橫梁的跨中斷面各設置2個應力測點，測點設置在橫梁的頂部和底部；全橋橫梁上共計應力測點6個。

用于拱肋、系梁和橫隔梁應力測試的應變計，在混凝土澆筑之前沿順橋向綁扎在受力主鋼筋，并將測試通訊線引出到拱肋下方橋面附近高度，以利于后續測試。

2.3　吊桿的監控方案

吊桿內力是反映橋梁施工各階段受力狀態的重要指標之一，索力測試與分析是施工監控的重要內容，吊桿張拉施工時，吊桿索力測試采用了振動法與千斤頂油壓表法相結合的方式進行測試。

振動法測試吊桿索力采用DH 5906型無線索力測試系統，其基本原理是采集吊桿在環境隨機振動激勵下的振動信號，通過頻譜分析得到其自振頻率，根據弦振方程以及吊桿的固有計算參數（索長、單位索長質量），計算分析索力。考慮吊桿抗彎剛度的理論計算方法為：

式中：T為吊桿索力；m為單位索長的質量；l為吊桿的自由振動計算長度；fn為吊桿的第n階自振頻率；n為振動階數；EI為索的抗彎剛度。

3　施工全過程監測結果分析

首先采用數值有限元方法建立了橋梁施工全過程的模型，見圖3，并分析各個階段的結構變形和受力狀態，通過現場實測結果與理論計算結果進行比較，分析了施工監控效果。

圖3　結構施工監控有限元模型

3.1　主梁變形

分析施工全過程主梁變形見圖4，縱梁支架拆除時南北縱梁跨中高程都沉降了15.3 mm，此時縱梁跨中高程累計變化量分別為：北側-23.6 mm，南側-23.6 mm；吊桿索力第一次調整后，縱梁跨中高程累計變化量分別為：北側-12.6 mm，南側-15.8 mm；吊桿索力按照設計成橋索力調整后，縱梁跨中高程累計變化量為：北側-28.2 mm，南側-34.4 mm。結合兩個主墩基礎沉降量（平均值為-8.0 mm）分析，大慶橋竣工后，縱梁撓度變化量累計為：北側-20.2 mm，南側-26.4 mm。變形可控，結構線形與設計線形基本是吻合的。

圖4　施工全過程縱梁高程變化圖

3.2　拱肋變形

同樣的分析拱肋的施工全過程變化情況，發現在各個關鍵工況，南側拱肋順橋向位移最大為7.9 mm，橫橋向位移最大為-4.6 mm，高程變化最大為R6吊桿對應位置，沉降量為-14.6 mm；北側拱肋順橋向位移最大為8.6 mm，橫橋向位移最大為-6.1 mm，高程變化最大為L6吊桿對應位置，沉降量為-15.3 mm。兩拱肋順橋向位移最大主要發生在拱腳附近，橫向位移最大值主要發生在跨中附近，高程變化（沉降）最大值發生在跨中附近。根據監測數據分析，拱肋線形變化穩定，竣工后拱肋的平面位置、高程、垂直度都滿足設計要求。

3.3　結構受力

縱梁應力方面，北側縱梁最大應力發生在橋面鋪裝完成、橋下支架全部拆除后，左箱頂板西邊L/4處，最大值為-16.85 MPa。南側縱梁最大應力發生在橋面鋪裝完成、橋下支架全部拆除后，左箱頂板東邊3L/4處，最大值為-18.27 MPa。

橫梁應力方面，橫梁最大應力發生在橋面鋪裝完成、橋下支架全部拆除后5#橫梁底板處，最大值為-7.92 MPa。

拱肋應力方面，整個施工過程中，拱肋各個截面應力基本為壓應力，只有少數截面在個別工況下出現拉應力，經跟蹤檢查，出現拉應力的截面附近，結構未出現裂縫。北側拱肋：拱肋壓應力最大值發生在邊橫梁張拉、橋面鋪裝后的西拱腳底板處，最大應力值為-13.31 MPa。南側拱肋：拱肋壓應力最大值發生在成橋索力調整后的L/4頂板處，最大應力值為-12.92 MPa。

應力分析結果與有限元分析結果的規律基本相同，根據結構應力監測成果分析，在各個施工階段，縱梁、橫梁、拱肋各個控制截面應力都為壓應力，結構應力變化值均在容許范圍內。

3.4　吊桿受力

施工中進行3次拉索調整工作，最終成橋的恒載索力及設計索力的對比見圖5，給出了北側吊桿的結果，南側的結果基本相同。可以看到：（1）各吊桿的實測成橋索力與設計成橋索力基本一致，各吊桿的實測索力與成橋索力之間的偏差在-5.6%～6.3%之間，每根吊桿索力偏差滿足規范和設計要求。（2）大慶橋南、北拱肋為反對稱異型拱（魚型），吊桿設計索力大小也為反對稱。根據成橋索力測試結果分析，南、北兩拱肋反對稱位置的吊桿索力對稱性良好，南、北對稱吊桿索力偏差在-7.5%～6.0%之間。（3）北側吊桿索力總和與南側吊桿索力總和基本一致，且均接近于設計成橋索力；全橋吊桿實測索力總和與設計索力總和偏差為1.3%。

圖5　成橋狀態恒載監測索力與設計索力對比

4　結論

異型拱橋很好地滿足了城市景觀性，因而越來越受到設計青睞，但由于異型橋梁構造特殊受力復雜，其施工難度也加大。本文依托上海大慶橋-異型系桿拱橋的施工監控為背景，系統總結了相關監控技術，取得了很好的效果，研究表明：

（1）鋼筋混凝土異型系桿拱橋，宜采用先梁后拱、支架模板現澆施工的方法，施工工藝簡單，利于實現異型拱橋的特殊結構形式，但需要對拱肋線形和系桿張拉進行科學監控，才能保證橋梁施工安全及成橋狀態。

（2）橋梁在施工全過程的主梁撓度變形累積最大26.4 mm，拱肋最大縱向變形8.6 mm，豎向變形最大15.3 mm，均滿足施工要求。施工全過程主梁最大壓應力18 MPa，拱肋最大壓應力12.9 MPa，拱肋施工中出現部分拉應力但水平很低，未見裂縫發生。結構整體受力與變形狀態良好，與設計成橋狀況很吻合。

（3）拱肋各吊桿的成橋恒載索力與設計索力誤差在8%以內，全橋索力累計偏差1.3%，達到了很好的成橋狀態，索力均勻平穩。

橋梁整體施工監控取得了很好的效果，相關施工技術和方法可以為類似工程提供參考。