斜靠式系桿拱橋浮拖法施工監(jiān)控

李潔勇

(中鐵二十局集團(tuán)巴基斯坦國(guó)際有限責(zé)任公司 陜西西安 710016）

1 引言

浮拖法是由浮運(yùn)法和縱向拖拉法結(jié)合產(chǎn)生的一種新的施工方法，這種施工方法最早起源于石油工業(yè)[1]。隨著社會(huì)發(fā)展的需要，浮拖法被運(yùn)用于橋梁工程，由于其不需要長(zhǎng)時(shí)間占用航道，且施工時(shí)必要的封航時(shí)間較短，因此浮拖法施工逐漸成為內(nèi)河水運(yùn)工程市政橋梁架設(shè)的首選方案之一[2-10]。所謂浮拖法，即是將工廠制造的主橋各桿件(節(jié)段）運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，在橋址區(qū)空曠場(chǎng)地處搭設(shè)滑移支架，布設(shè)滑道，然后在其上拼裝主橋，采用浮船作為前支點(diǎn)，利用對(duì)岸設(shè)置的連續(xù)穿心式千斤頂進(jìn)行牽引，通過(guò)滑移支點(diǎn)在軌道上的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)前移，最后浮拖至橋位落梁成橋[11-12]。

本項(xiàng)目浮拖法的整個(gè)施工過(guò)程包括:單側(cè)拱肋拼裝、浮拖施工、兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)就位、橋面板鋪裝、索力二次張拉等。施工過(guò)程中的各構(gòu)件受力體系與正常運(yùn)營(yíng)期受力特性不同，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中需經(jīng)過(guò)多次復(fù)雜的受力轉(zhuǎn)換過(guò)程，橋梁的標(biāo)高及應(yīng)力控制較為復(fù)雜。

通過(guò)理論計(jì)算分析，可得到各施工階段的理論值(節(jié)點(diǎn)的位移，鋼構(gòu)件的應(yīng)力、支座反力、鋼軌摩阻力、各階段的穩(wěn)定系數(shù)等數(shù)據(jù)）。但由于施工中存在著諸多不確定因素，同時(shí)仿真分析時(shí)各種計(jì)算假定都可能導(dǎo)致橋梁在施工過(guò)程中的線形標(biāo)高、內(nèi)力、穩(wěn)定性與理論值不相吻合，并最終導(dǎo)致橋梁在施工過(guò)程中局部?jī)?nèi)力過(guò)大或失穩(wěn)破壞。因此，為確保橋梁施工過(guò)程安全，成橋線形與內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，在施工中必須實(shí)施有效的施工監(jiān)控。

本文以跨徑100 m的斜靠式系桿拱橋?yàn)閷?duì)象，通過(guò)施工監(jiān)控對(duì)其主要施工過(guò)程進(jìn)行控制，以期各施工階段實(shí)際狀態(tài)(受力和線形）盡可能逼近理想狀態(tài)，確保成橋后的幾何線形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。

2 工程概況

蘇南運(yùn)河吳江段Ⅳ改Ⅲ航道整治工程新建云梨橋，位于蘇州市吳江區(qū)京杭運(yùn)河上。云梨橋主橋上部結(jié)構(gòu)為斜靠式系桿拱，跨徑為100 m，除橋面板為混凝土預(yù)制外，橋梁上部結(jié)構(gòu)整體框架為全鋼結(jié)構(gòu)，橋梁縱斷面中心線為直線。拱肋分為主拱肋及斜拱肋，均為矩形鋼箱結(jié)構(gòu)，拱軸線采用二次拋物線形式，主拱與斜拱在豎直平面內(nèi)夾角為19°。吊索分為主拱肋吊索及斜拱肋吊索，吊索縱橋向間距為3 m，每道拱肋有29根吊索，張拉端均為系桿端。主系桿采用體外預(yù)應(yīng)力束錨固的方式，為主橋的主要承重構(gòu)件，副系桿通過(guò)橫梁、縱梁等鋼構(gòu)件與主系桿連成整體，并與預(yù)制橋面板共同組成橋面系，橋面系設(shè)有機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道及觀景平臺(tái)。主橋布置形式如圖1所示。

圖1 云梨橋橋型布置（單位：cm）

3 斜靠式系桿拱橋浮拖法施工監(jiān)控

3.1 關(guān)鍵施工工序

本橋浮拖法施工主要施工步驟分為四大階段，即:單側(cè)拱肋拼裝、浮拖施工、兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)就位及橋面板鋪裝、索力二次張拉。

根據(jù)本橋特點(diǎn)，參考相關(guān)設(shè)計(jì)資料及規(guī)范，施工監(jiān)控確定的基本指標(biāo)見表1。

表1 施工監(jiān)控指標(biāo)

3.2 單側(cè)拱肋拼裝

施工流程:滑移支架及滑移軌道安裝→系桿、橋面系縱橫梁及拱腳段鋼結(jié)構(gòu)安裝→拱肋臨時(shí)支架安裝→斜拱第一節(jié)段鋼箱拱肋安裝→順次安裝主拱第一節(jié)段、斜拱第二節(jié)段和主拱第二節(jié)段→完成主、斜拱合龍→穿索初張拉準(zhǔn)備浮拖。

3.2.1 計(jì)算模型

本橋數(shù)值模擬采用MIDAScivil進(jìn)行計(jì)算，全橋結(jié)構(gòu)采用空間桿系模型進(jìn)行模擬，已建好的單側(cè)拱肋有限元模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

3.2.2 計(jì)算分析結(jié)果

按照制定的施工順序，詳細(xì)模擬施工過(guò)程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，在安裝第三段拱肋時(shí)，斜拱肋拱頂豎向及橫向位移相對(duì)較大，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，斜拱肋拱頂豎向位移為7.3 mm(向下），橫向位移為8 mm(向主拱肋方向），這可能是因?yàn)樾惫袄邉偠认鄬?duì)于主拱肋剛度較小的緣故。

在吊索進(jìn)行初次張拉后，斜拱肋最大豎向位移為16.8 mm(向下），最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋臨時(shí)支撐下部，數(shù)值為84.5 MPa。這說(shuō)明索力對(duì)拱肋變形及拱肋支架受力情況影響較大。

圖3 安裝第三段拱肋時(shí)的變形

3.2.3 監(jiān)控內(nèi)容

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，綜合考慮各構(gòu)件受力及變形情況，本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容定為系桿和拱肋標(biāo)高、拱肋支架應(yīng)力以及初張拉索力。

(1）系桿和拱肋標(biāo)高

系桿、拱肋在支架上安裝時(shí)，應(yīng)對(duì)其安裝標(biāo)高進(jìn)行控制，控制方式主要通過(guò)安裝標(biāo)高指令、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高復(fù)測(cè)等。系桿與拱肋測(cè)點(diǎn)布置在拱腳、系桿與拱肋的四分點(diǎn)處，具體布置見圖4a和圖4b。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

(2）拱肋支架應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取最不利的拱肋支架進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖4c所示。

(3）初張拉索力

由于單側(cè)結(jié)構(gòu)橫向?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)，吊索初張拉力會(huì)產(chǎn)生較大的水平分力，且系桿橫向剛度相對(duì)較小，易產(chǎn)生較大的橫向變形，為了后期橫梁能順利拼裝，經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)單位及監(jiān)理單位溝通，提出了一種較為巧妙的方式，即在進(jìn)行系桿拼裝時(shí)，系桿橫向坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)偏。系桿橫向坐標(biāo)預(yù)偏量與吊索初始張力密切相關(guān)，因此本階段索力初始值控制應(yīng)為重中之重。

3.3 浮拖施工

施工流程:安裝牽引系統(tǒng)→牽引半幅系桿拱至懸臂11.3 m→解除前方支點(diǎn)小車→牽引半幅系桿拱滑移至懸臂23.2 m→駁船就位，收緊岸錨→船艙排水、頂升系桿拱至前方小車不再受力→固結(jié)梁底托架與駁船支架→牽引、浮拖系桿拱至距離對(duì)岸主墩支座1.2 m→駁船排水頂升系桿拱解除后方支點(diǎn)小車約束→牽引、浮拖系桿拱至支座正上方→落梁、定位。

3.3.1 計(jì)算分析結(jié)果

本施工階段通過(guò)改變系桿的邊界條件來(lái)模擬單側(cè)結(jié)構(gòu)浮拖過(guò)程。

(1）變形

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，浮拖施工過(guò)程中，單側(cè)拱肋結(jié)構(gòu)移動(dòng)11.3 m后，端部豎向變形為12.2 mm(向下）；移動(dòng)23.2 m后，端部豎向變形為28.9 mm(向下）。

拱肋移至到目標(biāo)位置拆除支架后，跨中豎向最大變形為32.4 mm(向下），水平位移為46.6 mm(向主系桿方向），如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明，浮拖過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形滿足相關(guān)要求。

圖5 拆除全部支架后的變形

(2）應(yīng)力

單側(cè)拱肋結(jié)構(gòu)移動(dòng)11.3 m及23.2 m后，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在支架處，其值為93.5 MPa；拱肋移至目標(biāo)位置拆除支架后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主幅系桿間小縱梁處，其值為110.5 MPa，結(jié)合表1中的指標(biāo)可知，支架應(yīng)力滿足相關(guān)要求。

3.3.2 監(jiān)控內(nèi)容

本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容為:浮拖前后及支架拆除前后系桿、拱肋相對(duì)變形或位移值；拱肋支架應(yīng)力；吊索張拉力。

(1）浮拖過(guò)程中位移或變形監(jiān)測(cè)

浮拖前或浮拖過(guò)程中，可能由于上滑道兩側(cè)軌道或駁船支架兩側(cè)支點(diǎn)存在高差或兩側(cè)變形不一致使得主桁架發(fā)生扭轉(zhuǎn)。測(cè)量方法采用水準(zhǔn)儀觀測(cè)鋼尺豎向位移變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩側(cè)高差超限或變化過(guò)快時(shí)立即報(bào)警，停止一切動(dòng)作，待查明原因或糾偏后才可繼續(xù)施工。

由于多種因素可能使結(jié)構(gòu)左右偏位，施工中應(yīng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾偏，確保結(jié)構(gòu)的軸線位置正確。中線偏位測(cè)點(diǎn)布置在桁架中線，測(cè)量方法采用水準(zhǔn)儀觀測(cè)鋼尺水平位移的變化。

(2）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)云梨橋的受力特點(diǎn)，擬在拱肋關(guān)鍵截面布設(shè)測(cè)點(diǎn)，主要截面有拱肋1/2、1/4、3/4截面和拱腳截面等，每個(gè)桿件在其兩側(cè)各布設(shè)2個(gè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器。系桿關(guān)鍵截面布設(shè)測(cè)點(diǎn)，主要截面有拱腳截面、邊跨1/2截面、主跨1/4截面、主跨1/2截面等。每個(gè)系桿的兩側(cè)各布設(shè)2個(gè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器，每個(gè)截面共計(jì)4個(gè)。

(3）索力控制

由于吊索初始索力張拉時(shí)，邊界條件較為復(fù)雜，待支架拆除后實(shí)際索力與理論值有一定偏差，而實(shí)際索力與系桿橫向變形緊密相關(guān)，因此該階段索力控制非常必要。將索力實(shí)測(cè)值與系桿橫向變形值進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行必要的調(diào)索工作，使索力與線形均滿足相關(guān)要求。

3.4 兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)就位及橋面板鋪裝

兩側(cè)框架就位應(yīng)從兩側(cè)向中間順序拼裝橫梁與縱梁，就位完成后，應(yīng)進(jìn)行索力測(cè)試，系桿橫向、豎向坐標(biāo)測(cè)試，通過(guò)索力調(diào)整，使兩側(cè)索力、系桿拱肋標(biāo)高趨于一致，為后續(xù)結(jié)構(gòu)拼裝打下良好的基礎(chǔ)。若兩側(cè)索力或系桿標(biāo)高相差較大，輕則導(dǎo)致后續(xù)結(jié)構(gòu)拼裝容易產(chǎn)生較大的次內(nèi)力、重則導(dǎo)致后續(xù)結(jié)構(gòu)無(wú)法拼裝。在以上工作均完成以后，需要從兩側(cè)向跨中進(jìn)行橋面鋪裝工作。

3.4.1 計(jì)算分析結(jié)果

(1）變形

橋面板拼裝完畢后，主系桿跨中變形值為30.7 mm，橫梁中部相對(duì)于端部變形為13.7 mm，主拱肋變形18.0 mm，斜拱肋變形12.2 mm；梁側(cè)拱肋橫向變形為18.1 mm，均滿足相關(guān)要求。

(2）應(yīng)力

如圖6所示，中間橫、縱梁拼裝完畢后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主幅系桿間小縱梁處，其值為129.1 MPa，結(jié)合表1可知，應(yīng)力分布滿足相關(guān)要求。

圖6 橋面板拼裝完畢后的應(yīng)力云圖

3.4.2 監(jiān)控內(nèi)容

本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容為:系桿豎向變形、拱肋橫向位移，測(cè)點(diǎn)布置可參考3.3.2節(jié)的布置方式。

3.5 索力二次張拉

之前的工況橋梁結(jié)構(gòu)基本為被動(dòng)受力，此節(jié)描述的索力張拉則為結(jié)構(gòu)主動(dòng)受力，結(jié)構(gòu)受力特性可通過(guò)調(diào)整索力得到優(yōu)化，因此本施工階段尤為重要。

本橋結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，且吊索相對(duì)較密，逐根索張拉吊索的過(guò)程中，索與索間張拉力相互影響較大，因此索力張拉順序以及張拉力的確定非常重要。

綜合考慮橋梁特性及張拉過(guò)程中結(jié)構(gòu)的合理受力情況，擬定的吊索張拉順序見表2，吊索編號(hào)從左往右依次增大。

表2 索力張拉順序

3.5.1 計(jì)算分析結(jié)果

監(jiān)控具體內(nèi)容均依據(jù)每個(gè)施工階段詳細(xì)的計(jì)算分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，吊索二次張拉完畢后最大應(yīng)力出現(xiàn)在主幅系桿間小縱梁處，其值為128.2 MPa，如圖7所示，應(yīng)力滿足相關(guān)要求。

圖7 吊索二次張拉完畢后的應(yīng)力云圖

3.5.2 監(jiān)控內(nèi)容

本施工階段的主要監(jiān)控內(nèi)容為:系桿豎向變形、拱肋橫向位移以及索力，測(cè)點(diǎn)布置可參考3.3.2節(jié)來(lái)進(jìn)行布設(shè)。

4 監(jiān)控結(jié)果分析

4.1 位移監(jiān)控結(jié)果分析

系桿頂面監(jiān)測(cè)標(biāo)高部分偏差較大值(含最大值）列于表3。由表中數(shù)據(jù)可知，各截面實(shí)測(cè)標(biāo)高與目標(biāo)標(biāo)高偏差均小于規(guī)范要求的20 mm，滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的高程控制要求。

4.2 索力監(jiān)控結(jié)果分析

云梨橋主橋成橋后分別測(cè)量了所有吊索索力，表4僅列出了偏差較大的部分吊索測(cè)試結(jié)果。由表4可知，吊索成橋索力理論值與實(shí)測(cè)值偏差較小，最大誤差為9.5%，出現(xiàn)在左側(cè)11號(hào)主吊索處，大多數(shù)偏差為8%以內(nèi)，以上結(jié)果表明索力控制較為合理。

表3 系桿頂面監(jiān)測(cè)標(biāo)高部分?jǐn)?shù)據(jù)

表4 成橋后主吊索索力部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)_

4.3 應(yīng)力控制成果

云梨橋主橋各斷面應(yīng)力實(shí)測(cè)值均在規(guī)范允許值范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值較為接近，且走勢(shì)相同，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，各控制截面應(yīng)力狀態(tài)良好。

綜上所述，本文采用的監(jiān)控思路及監(jiān)控理論較好地服務(wù)于云梨橋主橋浮拖施工中，監(jiān)控實(shí)施較為成功，監(jiān)控結(jié)果較為理想。

5 結(jié)論

本文研究了斜靠式系桿拱橋浮拖法施工監(jiān)控技術(shù)，可得出如下結(jié)論:

(1）本文提供的監(jiān)控方法及思路可確保云梨橋主橋安全施工，施工全過(guò)程均得到了有效控制，該方法可為日后采用同類施工方法架設(shè)的長(zhǎng)大構(gòu)件提供一定的參考及經(jīng)驗(yàn)積累。

(2）云梨橋主橋成橋后系桿線形理想，偏差滿足相關(guān)控制要求，主吊索索力及成橋內(nèi)力與設(shè)計(jì)狀態(tài)偏差較小。

(3）采用系桿橫向坐標(biāo)預(yù)偏的方法可有效減少單側(cè)拱肋結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性對(duì)后期橫梁順利拼裝的影響，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用且十分巧妙，值得借鑒。