鋼拱橋拼裝施工關鍵技術研究

葉舟

摘要：此文針對某大橋工程主拱施工監控方案，依靠有限元分析程序與現代化測量技術的結合措施，針對鋼拱橋拼裝施工關鍵技術展開進一步分析，期望能夠提供一定的參考借鑒。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋;施工控制;有限元方法

一、橋梁總體布置

XX大橋長度為150m，所采取的是雙飛燕形中承型鋼管混凝土提籃拱橋構造。主拱內傾10°，邊拱內傾6°。主跨100m。大橋主跨拱肋是鋼管混凝土，運用的是無鉸拱，拱軸線是二次拋物線，其中矢高為7.5m，矢跨比為1/4.0。邊跨拱肋為半波二次拋物線，矢高7.5m。順著兩條邊拱肋進行縱橋向預應力系桿安裝，系桿要錨固到邊拱端部橫梁之上，確保兩個主墩水平推力的均衡。

二、拱肋纜索吊裝索力計算

（一）計算方法分析

拱肋吊裝索力的計算預測手段包含前進算法、倒退算法、力矩平衡法以及零彎矩法。此橋梁工程拱肋運用的是空間桁式斷面，在安裝過程中拱肋節段間運用固結的形式，安裝與焊接同時進行，若是采取力矩平衡法，那么計算結果和實際間存在很大誤差，不能適應施工的控制精度標準。采取零彎矩法對扣索索力進行計算可能導致扣索索力是負值，出現不均衡現象。倒退算法不能照顧到和施工相關得到因素，比如：結構幾何非線性以及混凝土收縮徐變。本文采用考慮了因拱肋節段間轉角連續而引起的剛體位移等影響因素的修正前進迭代算法[3]，即在建立施工階段有限元模型時，把拱肋節段單元一次性建立完畢，并設為無重量單元，依據設計的工程施工順序，當安裝完一個節段時便要把相應節段質量用等效荷載方式添加至模型之中，進而分析吊裝過程中上一節段接頭位置轉角造成現節段位移，進而完成扣索索力準確預測。

（二）計算程序設計

定義在制作臺上無應力條件下分析預拱度后鋼管拱肋線性作為標準狀態。進行吊裝施工控制主要作用在于利用對扣索索力的調節使得各個控制點的標高和標準狀態誤差被控制到規定范圍之內。

（三）施工控制結果

單側拱肋順橋向要劃分出5個吊裝節段，利用以上算法展開迭代優化求解，獲得合攏前的扣索索力以及每個控制處預抬高值，此文僅給出橋梁拱肋的首節控制點預抬高量。

三、拱肋弦管混凝土灌注

（一）澆筑次序

此大橋橋拱肋截面為桁架式，由于肢數較多，因此弦桿混凝土的澆筑次序是具有多樣性的，弦桿混凝土的澆筑順序會對鋼管混凝土拱橋的截面應力儲備產生嚴重影響。經過計算證明，如果鋼管混凝土弦桿是混凝土拉應力進行控制的話，那么應當選用自上而下的順序澆筑;當以鋼管壓應力控制時，則以先下后上為好[7]。

對于以上三種不同工況開展混凝土泵送施工的有限元模型研究，最終結果是工況I最小一類的穩定系數達到10.9;工況2的最小一類穩定系數為8.3;工況3的最小一類穩定系數為6.8。工況1混凝土均為壓應力，鋼管的最大壓應力153.2MPa;工況2混凝土出現1.58MPa拉應力，鋼管的最大應力198.6MPa;工況3混凝土最大拉應力為2.67MPa，鋼管的最大應力223MPa。工況I拱腳處的最大位移1.25mm;工況2拱腳處的最大位移1.26mm;工況3拱腳處的最大位移1.68mm。由以上的對比分析得出，工況1的澆筑次序最合理。

（二）施工控制結果

按照工況1的澆筑次序進行大橋的施工，沒有出現安全問題。實測拱腳處下弦鋼管的應力為165MPa。并對拱腳水平位移進行了現場觀測。

由此了解到，進行鋼管混凝土灌注操作時，拱腳所存在的水平位移是要稍稍低于計算值的，在控制范圍要求內。根據以上實際測量數據，對有限元模型展開深入改進，確保后續施工得到精準化控制。

四、系桿分批張拉

（一）系桿張拉方案

為避免施工過程中支座水平位移高于支座規定范圍導致支座無效化，鋼管混凝土拱橋應當在鋼管混凝土的灌注，橫梁吊裝，橋面板安裝與橋面鋪設等施工工作中對系桿進行分批次張拉，且確保施工中的系桿拉力和拱橋水平分力保持平衡。大部分系桿拱橋張拉的首批系桿都在橫梁吊裝前，一些是在拱肋混凝土灌裝前[1]。此工程大橋中的三根橫梁吊裝結束后拱腳累積位移不高于3mm，所以，當三根橫梁吊完之后要進行首次系桿張拉操作。在此操作前所吊裝三根橫梁是為系桿安裝設置三個有效支撐點，能夠降低系桿基于自重的下撓現象，便于系桿安裝及張拉施工。然后系桿要分成三批進行張拉，具體方案為：中橫梁與兩根1/4橫梁安裝完成后進行第一批系桿的張拉，所有橫梁與部分的橋面板安裝完進行第二批系桿張拉，所有橋面板安裝完成后進行第三批系桿張拉。

（二）系桿索力計算

基于活荷載條件下，拱橋的主拱水平推力主要是橋墩與系桿一起承負的。因為系桿抗拉剛度要大大低于橋墩抗推剛度，因此都是橋墩來承受水平力，而這對于橋墩受力來說是非常不利的，所以在設計過程中要分析系桿索力除去承受恒載造成的水平推力，還包含一半活載造成的水平推力。ANSYS程序建立分段施工有限元模型，并且把鋼管內混凝十的收縮徐變效應和溫度作用的影響考慮在內，依靠迭代算法完成每次系桿張拉前后的拱腳位置位移及水平推力計算。

分三批張拉系桿后，各工況拱腳累加水平位移均小于3mm，而且基于1/2活載下的拱腳水平推力是0，由此了解分三批進行系桿張拉是非常科學的。

五、總結

此文針對某一大橋工程施工實例中關鍵技術分析，得到下列結論。

（1）此文所采取修正前進算法進行扣索索力計算是合理的，成橋拱肋線形的誤差能夠保證處于項目精度的要求范圍內。

（2h桁架拱肋混凝土澆筑順序會對拱橋截面應力的儲備產生較大影響，受到鋼管應力控制時，應當采取自下而上的順序澆筑。

（3）建立起張拉系桿方案，方案目標在于單工況拱腳的累計位移符合設計標準，系桿力除去確保恒載水平推力平衡外還應當照顧到部分活載作用。

（4）利用計算得知對大橋橫梁作一定的預抬高操作，在成橋之后橫梁標高滿足設計值，橋面的線性流暢，橋梁可以正常通車行駛。

參考文獻：

[1]顧安邦.橋梁工程（下）[M].北京：人民交通出版社，2018.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2018.

[3]孫航，陳少峰，劉鐵林，等.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制預測算法[J].沈陽建筑大學學報，2018，5（3）：371-374.