鋼管混凝土系桿拱橋先梁后拱施工控制研究

喬葉偉

0 引言

鋼管混凝土系桿拱橋是由拱和梁構成的一種橋梁組合結構體系，這種組合結構體系充分發揮了其各自的特點，由拱承受壓彎，系梁來承受拉彎[1]。拱肋采用鋼-混組合結構，通過外部鋼管來限制內部混凝土，使得內部混凝土承受多向受壓狀態，能夠較大程度提高其承載能力[2]。鋼管混凝土系桿拱橋內部是多次超靜定結構，外部是平衡的靜定結構，它相對于拱腳有推力的傳統拱橋來說，能夠克服地基承載能力不足等問題。同時鋼管混凝土系桿拱橋后期的收縮徐變較小，整體結構剛度較大，能夠較好地滿足高速鐵路對于道路平順性等要求[3]。對于系桿拱橋采用先梁后拱施工方案時，主拱受力明確，可以減少結構體系轉換的次數，并且施工作業區域較大，可以保證施工安全[3]，所以這種先梁后拱的鋼管混凝土系桿拱橋已經廣泛應用于高速鐵路中。

已有研究表明，Tian[4]研究了某大跨度系桿拱橋的施工監測技術，對橋梁的關鍵部位進行了實時監控，以保證拱橋在施工過程中的安全性和可靠性；Yin 等[5]對某大跨度提籃式拱橋施工監測技術進行了研究，主要研究了監測點的位置、監測控制的施工方法和施工監測技術；楊三強等[6]通過實時監測在各個施工階段下拱肋的應力與位移，研究其內力變化的規律；任文峰等[3]通過有限元分析及實測監測，計算了不同施工階段的拱肋及吊桿的應力變化規律；項影明[7]研究了某鋼管混凝土系桿拱橋的施工過程結構變形的監控方法；馮睿為等[8]通過實測值修正后的有限元模型來計算某三拱肋鋼管混凝土系桿拱加固過程中的結構內力及變形；劉治勇[9]采用有限元模擬計算了某鋼管混凝土系桿拱橋主梁、拱肋的預拱度及施工階段索力優化；馮志強等[10]研究了某鋼管混凝土系桿拱橋施工階段中拱肋標高和吊桿索力值監控。本文使用Midas civil 軟件對實際橋梁進行預拱度計算及施工階段應力監測分析。

1 工程概況

本文以靈武太中銀鐵路立交特大橋為研究對象，位于臨夏銀川市。縱坡坡度為1.85%，設計中按正做斜置，即吊桿垂直于梁體。本橋為64 m 簡支系桿拱，拱軸線的形式為多次拋物線，計算跨徑為64 m，矢高為12.8 m。橋梁共兩道拱肋間距為13.8 m。系梁的截面形式為箱型截面，結構形式為預應力混凝土，系桿拱立面布置圖如圖1 所示。

橋梁中系梁和拱肋均采用剛性設計，拱肋結構形式采用鋼管混凝土，截面形式采用啞鈴型截面，截面高度達到2.2 m。全橋通過吊桿將拱肋與系梁相連接，共計10 對吊桿。系梁采用預應力混凝土簡支系梁，系梁除梁端局部加高至3 m 外，其余梁高均為2.5 m。系梁橫截面布置圖如圖2 所示。

本橋是先進行系梁施工，再進行拱肋施工的先梁后拱的施工方案，系梁通過支架法進行現澆施工，立模現澆系梁混凝土，待混凝土強度到達設計要求后分批張拉預應力鋼束。系梁施工完成后，架設鋼管拱肋支架。將拱肋吊裝到設計位置，然后在支架上對接拼裝，再對其余構件如橫撐進行拼裝焊接。然后對鋼管內灌注混凝土，達到設計強度后撤去支架，按順序安裝吊桿并張拉，撤去系梁支架并進行吊桿力檢測。

2 有限元模型

2.1 建立有限元模型

圖1 系桿拱立面布置圖（單位：cm）

圖2 系梁跨中處截面（單位：cm）

本橋使用Midas Civil 有限元軟件建模。模型包括鋼管混凝土拱肋、系梁、吊桿、橫梁、風撐等，橋面板、橋面鋪裝、管線欄桿等二期恒載換算為荷載，加載在結構上。在結構的靜力分析中不考慮非線性因素的影響。全橋共計426 個單元，其中梁單元380 個，桁架單元40 個。本橋中吊桿使用桁架單元模擬，其余構件使用梁單元模擬，有限元模型如圖3 所示。

圖3 Midas civil 空間有限元模型

2.2 計算荷載

恒載包括結構自重和橋面鋪裝荷載，取值如表1 所示。

表1 恒載參數

3 預拱度計算

橋梁施工控制中線性控制是非常關鍵，為了保證橋梁線型符合設計目標，必須在主梁的建造期間設定一定的預彎度，本文通過Midas Civil 模型進行理論計算獲得。

3.1 系梁有限元計算結果

每個施工階段承受的荷載是變化的，其橋梁結構的變形也隨著施工階段的不同而變化。在考慮拱橋自重、預應力荷載、收縮徐變、活載及橋面二期鋪裝等作用下，基于Midas Civil 有限元模型計算拱橋的豎向位移[11]。根據有限元建模坐標系，假定支承位置的x 坐標為1，則系梁在該坐標系的x 坐標及相應編號如表2 所示。

表2 x 坐標及相應編號

系梁混凝土整體澆筑完成后在預應力荷載下系梁理論撓度如表3 所示。

在預應力作用下的系梁最大撓度值為39.7 mm，發生在跨中截面，由于實際中有支架的存在，實際最大撓度值會略低一些。

表3 預應力作用下系梁的撓度（單位：mm）

系梁在自重、預應力等荷載組合下的計算撓度如表4 所示，荷載組合撓度圖如圖4 所示。

圖4 自重、預應力等荷載組合下系梁的撓度圖

表4 自重、預應力等荷載組合下系梁的撓度（單位：mm）

吊桿進行張拉兩次后，將系梁支架拆除，一段時間后進行橋面鋪裝的施工，這期間會受到一次混凝土收縮徐變的影響，在橋面二期荷載下系梁的撓度如表5 所示。

表5 橋面二期荷載下系梁的撓度（單位：mm）

3.2 拱肋有限元計算結果

拱肋在自重、預應力等荷載組合下的計算撓度如表6 所示。

表6 自重、預應力等荷載組合下拱肋撓度（單位：mm）

在橋面二期荷載下拱肋的撓度如7 表所示。

表7 橋面二期荷載下拱肋撓度（單位：mm）

3.3 運營狀態有限元計算結果

圖5 全橋恒載+0.5 活荷載撓度圖

施工完成后期運營時，在恒載+0.5 活荷載的荷載組合下，橋梁最大位移為9.59 mm，發生在跨中截面。橋梁變形圖如圖5所示，撓度值如表8 和表9 所示。

3.4 預拱度計算結果

由于實際施工中施工階段需要對支架進行預壓處理以便抵消其非彈性變形，同時獲得其彈性變形值。這些是需施工階段獲得，故本文對支架彈性變形值及地基沉降值作假設處理。橋梁預拱度計算值如表10 和表11 所示。

表8 系梁恒載+0.5 活荷載下的撓度（單位：mm）

表9 拱肋恒載+0.5 活荷載下的撓度（單位：mm）

表10 系梁預拱度理論結果

表11 拱肋預拱度理論結果

4 主梁及拱肋監控

4.1 主梁應力測量

為了分析判定系桿拱施工階段中系梁的受力狀態，在系梁部分梁段埋設應力傳感器來監測其應力狀態，從而使得系梁施工安全有序地進行，測點布置如圖6 所示。

圖6 系梁應力截面測點布置圖

1#為拱腳截面，有4 個測點1-1#～1-4#；2#為系梁端截面，有兩個測點2-1#～2-2#；3#為系梁1/4 截面，有4 個測點3-1#～3-4#；4#為系梁3/4 截面，有4 個測點4-1#～4-4#。部分應力測點數據未測得不予展示，在本橋各個施工階段中的各測點系梁應力如圖7 所示。

圖7 不同施工階段系梁應力圖

由圖7 可得，在整個施工階段過程中，壓應力最大為24.1 MPa，發生在吊桿張拉后系梁1/4 截面。拉應力最大為15.5 MPa，發生在拱肋落架后系梁3/4 截面，滿足設計要求。

4.2 拱肋應力監測

為了分析系桿拱施工階段中拱肋的受力狀態，在拱肋部分拱段埋設應力傳感器來監測其應力狀態，從而使得拱肋施工安全地進行，測點布置如圖8 所示。

圖8 拱肋應力截面測點布置圖

1#為1/4 截面，左、右拱肋分別設置應力傳感器，編號分別為996416 和997917。2#為跨中截面，左、右拱肋分別設置應力傳感器，編號分別為980704 和996421，在本橋拱肋架設中的各測點拱肋應力如圖9 所示。

由圖9 可得，不同拱肋架設階段、不同的拱肋截面的應力是在變化的。其中，最大拉應力為22.3MPa，發生在拱肋架設完成后的拱頂處。最大壓應力為26.4MPa，發生在拱肋架設中的拱頂處。通過有限元建模計算，拱肋架設中其對應最大拉、壓應力值分別為29.21MPa 和41.62MPa，故滿足設計要求。

5 結論

本文以靈武銀西鐵路立交特大橋為研究對象，采用Midas Civil 有限元軟件建立全橋空間模型，對鋼管混凝土系桿拱先梁后拱的施工階段控制進行分析，得出以下結論：

（1）通過有限元建模計算，獲得了各個施工階段在不同荷載組合下的系桿拱的撓度，通過考慮預拱度計算過程中存在的偏差，最后得到該系桿拱系梁及拱肋的預拱度計算結果。

（2）通過對系梁的應力監控，系梁在各個施工階段中，最大壓應力為24.1MPa，發生在吊桿張拉后系梁1/4 截面。最大拉應力為15.5MPa，發生在拱肋落架后系梁3/4 截面。

（3）通過對拱肋的應力監控，拱肋最大壓應力發生在拱肋架設中的拱頂處，壓應力值為26.4 MPa。最大拉應力發生在拱肋架設完成后的拱頂處，拉應力值為22.3 MPa。

（4）基于系梁、拱肋的預拱度計算和系梁、拱肋的應力監測，使得施工過程中橋梁結構的內力、撓度及線型達到了既定目標，滿足了設計要求，為了同類型橋梁施工監控提供了參考依據。

圖9 拱肋架設中各截面拱肋應力變化