舍里甲大橋施工控制分析

白應華, 楊啟萌, 余天慶

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

隨著我國經濟的迅速發展，基礎建設的步伐越來越快。其中橋梁建設是我國基礎建設過程中不可或缺的一份子。系桿拱橋因其優美的造型和良好的力學性能，得到越來越多建設者的青睞[1-3]。隨著橋梁跨度的增加，橋梁施工控制的應用在橋梁建設中越來越廣泛，主跨跨度為200 m的上海柳港大橋是成功應用施工控制方法的典型案例[4]。近年來，有很多學者對拱橋的施工控制進行了研究：杜淼[5]以撈刀河大橋為例研究了復式鋼箱中承式拱橋的施工受力；杜海龍等[6]研究了超大跨徑拱橋的施工控制方法；劉俊杰[7]對大跨度拱橋吊桿張拉施工技術進行了研究。但是由于不同橋梁的造型和建設環境的不同，使橋梁具有獨特性，所以目前施工控制在大跨度橋梁的應用還需完善。成熟的施工控制經驗和監測手段是保障橋梁建設安全性和成橋合理性的關鍵。

1 工程概況

舍里甲大橋為鋼結構下承式鋼箱拱橋，位于南昌市經開區，主橋全長120 m，主梁由正交異性板鋼箱梁構成，鋼拱肋采用二次拋物線作為拱肋線形，拱頂預拱度設為45 mm。舍里甲大橋主梁采用雙箱單室鋼箱梁，梁頂寬33.5 m，支座處中心梁高3.5 m。采用順橋向單吊桿體系，預應力鋼絞線吊桿順橋向和橫向吊桿間距分別為4 m和0.5 m。8組預應力鋼絞線系桿布置于主跨鋼梁內和拱腳處。拱肋、鋼箱梁先在工廠通過分階段預制后，沿橫斷面分塊進行運輸，然后在現場通過吊裝，吊裝至臨時墩進行拼裝。舍里甲大橋拱肋梁采用支架架設的施工方案進行拼裝，保證成橋后的線形與設計線形相吻合。吊桿抗拉強度為1860 MPa，鋼結構主橋材質為Q345D。

2 施工控制方法

施工控制方法是在提出理想狀態下的施工階段控制參數后，結合施工過程中得到的實測數據，對結構計算影響較大的設計參數進行研究分析。依據設計要求，采取合適的方法對橋梁施工過程中所需要的控制量進行預測和監測，指導橋梁施工過程，保證最后成橋狀態滿足設計要求。

3 有限元計算

3.1 有限元建模

使用MIDAS/Civil 建立舍里甲大橋的全橋模型，運用梁格法[8]建模?？臻g梁單元考慮了截面剪切變形對結構受力的影響，主拱圈和主梁都用該梁單元模擬計算，采用桁架單元對吊桿和系桿進行模擬，全橋共劃分1115個單元。支座與主梁通過彈性連接的方式進行連接，對施工過程中主梁支撐與拱肋支架通過在橋面節點處設置節點彈性支承進行模擬，利用MIDAS/Civil的激活與鈍化功能實現主梁支撐與拱肋支架的搭設與拆除的模擬，吊桿合理成橋索力通過MIDAS/Civil 自帶的未知荷載系數法求得，吊桿索力以初拉力的形式施加。圖1為舍里甲大橋有限元模型。

圖1 舍里甲大橋有限元模型

3.2 有限元計算結果分析

選取成橋階段有限元計算結果進行分析研究。

1)位移由圖2成橋階段的橋梁豎向位移圖所示，拱肋在拱頂處產生向下最大位移，位移值為19.5 mm。主梁邊縱梁跨中處發生最大的向上豎向位移，位移值為56.9 mm。

圖2 成橋階段豎向位移

2)應力由圖3成橋階段的應力圖可知，拱肋軸向最大壓應力為59.4 MPa，主梁最大拉應力為69 MPa。

圖3 成橋階段應力

4 施工控制內容

4.1 拱肋線形控制

為減小拱肋線形誤差，拱肋通過在工廠預制后運送到施工現場，并通過支架法進行拼裝。在施工過程中，為保證拱肋的施工線形與計算線形的誤差在設計允許范圍之內，在拱肋節段接頭位置處頂面內邊緣的布置測點，通過全站儀對拱肋標高和拼裝軸線進行監測并獲得實時的監控數據。拱肋拼裝現場如圖4所示。

圖4 拱肋安裝現場圖

這里拱肋的施工預拱度的設置考慮拱頂處的預拱度值，按二次拋物線分配法[9]進行分配。由二次拋物線分配法計算拱頂總撓度δ為

δ=δ1+δ2

其中：δ1為恒載撓度，δ2為1/2活載撓度

通過有限元計算得到撓度δ1=19.5 mm，δ2=11.1 mm。由二次拋物線分配法計算拋物線方程為

得到預拱度曲線如圖5所示。

圖5 拱肋曲線各點預拱度

拱肋線形的控制在設計曲線的基礎上，加上各點的預拱度進行搭設，在施工過程中監控各點線形變化，保證最后成橋線形滿足設計要求。

4.2 應力控制

系桿拱橋施工過程復雜，及時、準確了解施工過程中主梁和拱肋應力變化，不僅可以起到安全預警的作用，同時可以對理論進行校核，為施工控制提供依據。通過無線采集系統進行應力監測，該監測系統解決了傳統人工巡檢應力測試工作量大、測試周期長等缺點，擴展了應力測試的領域。同時，應力監測時記錄氣溫、橋面特殊施工荷載等因素，為理論設計優化與預測提供更加準確的數據。

4.3 吊桿索力控制

吊桿索力是橋梁設計中的重要參數，主梁的線形和主梁內力分布可以直接被索力大小影響。利用影響矩陣法[10]進行吊桿索力控制，首先在模型中只進行吊桿安裝，而不進行張拉，在二期和恒載作用下求得1-14吊桿索力：

F0=[819.5 407.2 404.8 530.4 535.4 535.5 526.4 525.3 528.2 525.2 527.2 527.7 531.2]

當模型計算不計二期重量和自重時，給吊桿1單位力，在Midas/Civil中得到吊桿1單獨作用時對其他吊桿的影響量，記為A1=[a1a2…a14],同理可得其他吊桿單獨作用時的影響量，則該橋索力調整的影響矩陣為

A=[A1A2…An]T

該橋設計索力為[F],則得到受調向量

D=F-F0

(1)

x=A-1D

(2)

由聯立公式(1)(2)可得吊桿張拉力x，將得到的吊桿張拉力按施工階段施加在吊桿中，得到兩次吊桿控制索力，如表1所示給出部分索力控制值。

表1 部分吊桿張拉控制索力 kN

在現場利用頻譜分析法[11-12]進行索力測試，該法利用索力與拉索自振頻率之間的關系獲得索力。為防止拱肋支撐對吊桿索力產生影響，拱肋臨時支撐在吊桿安裝前即進行拆除。依據設定擬定的張拉順序，兩次張拉順序均為由中間14號吊桿依次向兩邊張拉的順序進行張拉，張拉力大小按表1索力進行施加，吊桿布置圖如圖6所示。進行索力監測時，除記錄氣溫、臨時荷載等影響因素，同時避免日照不均勻溫度場的影響，選擇日照較弱時間段進行索力監測，從而減小索力測試的誤差，為索力施工控制的理論計算與預測提供準確的理論支持。

圖6 吊桿布置

5 控制結果分析

這里選取成橋階段的控制結果進行分析。

5.1 拱肋線形控制結果分析

選取拱肋1/8處、1/4處等關鍵截面進行線形測點布置，拱肋到成橋階段累計位移的計算值與實測值進行對比分析如圖7所示。

圖7 拱肋豎向位移

由成橋拱肋豎向位移圖可知，整個施工階段拱肋拱頂處累計位移最大，有18 mm,拱肋整體位移變化趨勢與有限元理論計算吻合良好，說明按二次拋物線進行預拱度分配所進行的線形控制取得了良好的效果，同時也驗證了有限元計算邊界條件設置與荷載布置符合工程實際。

5.2 拱肋應力控制結果分析

選取上游拱肋在成橋狀態的應力進行分析，實測值與計算值對比分析如表2 所示。

表2 上游拱肋應力監測結果 MPa

拱肋良好的應力狀態是結構安全的重要保證，應力監控過程中，應力以拉為“+”，以壓為“-”。由表2可知，在成橋后，拱肋最大應力不超過60 MPa,拱肋實測應力與計算值最大誤差不超過5 MPa,說明拱橋受力狀態合理。拱腳處壓應力最大，最大壓應力為53.1 MPa，遠小于材料的容許應力，在合理范圍內。

5.3 吊桿索力控制結果分析

對成橋后的吊桿索力實測索力值與計算值進行對比研究，如圖8所示。

圖8 吊桿索力對比

由圖8對比分析可知，在成橋后的實測索力值與計算值的誤差控制在10%以內，索力分布均勻，誤差在設計允許的范圍內。說明按照影響矩陣法所求得的吊桿張拉力進行張拉，橋梁結構最終的成橋狀態符合滿足設計要求。由于1號吊桿靠近拱腳，拱腳處剛度較大，導致1號吊桿索力值明顯高于其它吊桿。吊桿索力實測值遠小于鋼材的抗拉強度，滿足設計要求。1號吊桿設計值與實測值誤差相對于其他吊桿誤差較大，主要原因是拱腳處受力復雜，而模型主梁與橫梁均使用梁單元模擬，參數設置較為簡化，但誤差仍在設計允許的范圍內，可指導實際施工。

6 結論

通過對舍里甲大橋施工監控過程進行了介紹和分析，得出以下結論：

1)拱肋線形控制以調整預拱度為主，以二次拋物線分配法進行預拱度分配，通過與理論計算值對比，橋梁結構成橋后，拱肋位移最大處位于拱頂，實測位移值與計算值吻合良好。利用二次拋物線分配法進行系桿拱橋預拱度計算，可以達到拱肋線形控制的目的，并取得良好的控制效果。

2)在對拱肋的應力監測中，拱腳是拱橋受力的關鍵部位，拱腳處最大應力為遠小于材料容許應力，在設計允許的范圍內。同類橋梁施工時，應重點關注拱腳受力情況。

3)在吊桿索力的控制中，利用影響矩陣法求解吊桿張拉索力，通過計算索力值與實測索力值對比，計算值與實測值相吻合，誤差在設計允許的范圍內。利用影響矩陣法求得的兩次吊桿張拉力合理，成橋后索力分布均勻，最后達到設計要求索力，能夠指導鋼箱系桿拱橋索力控制施工。

4)對于整體結構受力復雜的部位，可單獨進行有限元分析，提高理論設計的精確性。