鋼管混凝土尼爾森體系拱橋施工監控方法

施一春 （寧波富邦基礎設施投資有限公司，浙江 寧波 315600）

0 前言

鋼管混凝土尼爾森體系拱橋與其他鋼管混凝土拱橋相比，具有如下結構特點[1]：結構力學性能優良；橋梁剛度大，有良好的結構稱定性；動力性能好，能提供很好的行車安全及舒適度指標；結構超載能力強；外部靜定，建筑高度低，橋式美觀。由于其內部為多次超靜定結構，受力復雜多變，特別是施工張拉吊桿過程中，拱梁的內力和變形的不確定性將給施工帶來多重困難，施工過程監控不可或缺。本文以某城市的鋼管混凝土尼爾森體系拱橋為工程背景，簡要介紹該類拱橋桿系有限元模型建立和施工監控方法。

1 工程簡介

該鋼管混凝土尼爾森體系拱橋全長132m，計算跨徑128m，拱肋采用懸鏈線型，計算跨徑112m，矢跨比1/5，拱肋采用豎向啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.4 m，等截面布置。拱肋在橫橋向內傾9。。兩拱肋之間共設5道橫撐，拱頂處設X型撐，拱頂至兩拱腳間設4道K撐，鋼管內部不填混凝土。主梁采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，寬17.8 m，梁高2.5 m；底板在3.0 m范圍內上抬0.50m以減小風阻力。尼爾森體系的吊桿布置形式，每兩根吊桿只交叉一次。箱式主梁采用門式支架現澆施工，鋼管拱肋采用工廠分段預制、現場少支架大節段吊裝施工。全橋上部結構布置見圖1。

圖1 上部結構側視與俯視圖（單位：cm）

2 施工監控有限元模型

2.1 有限元模型的建立

計算采用軟件midas/civil2016進行建模，仿真模擬施工過程，獲取階段中控制截面的應力和變形。全橋有限元模型共劃分為798個節點，56個桁架單元，372個梁單元。主梁和拱肋橫撐采用普通梁單元模擬，啞鈴型鋼管采用聯合施工截面梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，所有支架均采用只受壓彈簧模擬，豎向剛度定義為107N/mm。根據施工組織，施工過程共劃分24個階段。其中吊桿的張拉順序為：2（2’）—4（4’）—6（6’）……12（12’）—3（3’）—5（5’）……13（13’）—14（14’）—1（1’）。吊桿的編號見圖2。

圖2 吊桿編號示意圖

圖3 有限元模型

2.2 建模的難點處理

施工階段劃分表表1

采用桿系有限元建模計算時，文獻[2]指出計算模型與實際結構偏離的原因。實際結構中，吊桿與拱肋相交點在拱肋上緣，與主梁相交也偏離主梁軸線，因此主梁和拱肋采用梁單元建模時，吊桿上下端錨固點的空間位置按實際建模，吊桿錨固點與拱肋和主梁軸線點采用剛臂處理，以保證變形的協同。啞鈴型鋼管混凝土拱肋采用聯合施工截面[3]，該種處理方式可以計算獲取整個施工過程中（架設空鋼管—灌注上下弦管混凝土和腹腔內混凝土時）各節點截面的鋼管和腔室混凝土的應力和變形。

3 施工監控內容和方法

鋼管混凝土尼爾森體系拱橋施工監控是以結構的受力狀態和結構空間位置（線形）兩項為控制指標，即為“雙控”。通過精確的建模仿真計算，施工中按階段監測主梁和拱肋控制截面應力、吊桿內力以及主梁和拱肋的變形，通過仿真模擬計算數據與實測數據對比、分析和控制，在誤差允許范圍內確保結構變形受力與設計相吻合。

3.1 變形監控

變形測試的主要目的是階段性獲得已形成結構的實際幾何形態，包括主梁監測點變位測試、拱肋線形測量。拱肋測點選取拱腳處、拱肋的1/8（7/8）處、1/4（3/4）、3/8（5/8）處截面以及拱肋合龍前兩個半拱的端部截面布設，左右榀拱圈的測點布置在拱肋外側，共計20個測點，拱肋變形監測利用全站儀測量監測點反光片的空間坐標變化；主梁的變位監測分為落架前和落架后兩個階段：①落架前，測點設置在主梁底部貝雷梁橫橋向兩側，共計16個測點，通過全站儀觀測；②落架后，基準點設在主墩處的主梁上，觀測截面仍為ZL-1～ZL-8，截面橫橋向布置3個測點，共計24個測點，儀器采用精密水準儀。具體的位移觀測點如圖4。

圖4 位移測點布置圖

3.2 拱肋和主梁應力監控

伴隨拱肋腔室混凝土的壓注、吊桿的張拉，橋梁內力將不斷的變化。拱肋和主梁應力監測的目的是對主體結構施工過程中受力進行測量和控制，及時了解結構的實際變化，確保內力始終處于安全范圍內，成橋后拱肋和主梁的內力分布與設計狀態在一定程度上達到吻合。

拱肋應力監測截面選取左右榀拱肋的拱腳、1/4處、1/2處，共計10個截面，鋼弦應變計利用基座沿切向焊接在上下弦管的兩側，每個截面布置4枚。主梁的應力控制截面選取主梁的近根部、1/4處、1/2處等5個截面，每個截面布設5枚混凝土應變傳感器，上緣3枚分別布置在三個箱式頂板中部，下緣2枚布置在內腹板底部。

對于測得的拱肋和主梁的應變，進行應變分離，排除非應力應變：溫度的影響利用傳感器自帶的溫度修正公式進行修正；混凝土收縮徐變的影響較為復雜，文獻[3][4][5]對其作了闡述和公式推薦。

圖5 應力測試斷面和測試點布置圖

3.3 吊桿內力監控

吊桿作為尼爾森體系拱橋的主要傳力構件，在整個橋梁體系中起著關鍵性作用，吊桿受力是否符合設計要求關系到拱橋的耐久性和安全性。傳統的索力測試法有三種：油壓表直接讀數、壓力傳感器和頻譜法。本橋采用振動頻譜法為主，以張拉時的油壓千斤頂油表讀數測量輔助。

頻譜法通過安裝在吊桿上的索力測試儀拾取吊桿自振頻率，由內部的放大器將振動信號放大和模數轉換，經頻域分析后獲取吊桿的頻譜圖，自動識別出各階振動的固有頻率[6]。頻譜法測定索力時，對影響其測量精度的主要因素：吊桿的剛度、垂度、邊界條件等進行參數識別，確定出索力計算公式，將實測頻率代入公式求出索力。

4 結語

鋼管混凝土尼爾森體系拱橋是以主梁平衡拱的水平推力，以斜吊桿為主要傳力結構的無推力結構體系。有限元建模仿真計算的精確度取決于計算模型中對構件截面和邊界條件的處理。合理選擇變形監控點和應力監測截面，全面掌控拱橋施工狀態是監控工作的基本前提。本項目施工控制所采用的計算模型、監測控制方法是可行的，可為同類橋的施工、運營監測提供參考。