廣大鐵路80 m跨度系桿拱橋線形控制技術

席紅星

（中鐵十七局集團有限公司，太原 030006）

剛性系桿拱橋相當于在簡支梁上增設加強拱，梁和拱在端部剛性連接，其間布置吊桿，屬于外部靜定、內部超靜定結構[1-2]。現澆剛性系桿拱橋通常采用滿堂支架現澆、先梁后拱施工方法[3]。系桿拱橋的主拱圈和系梁支架搭設、預拱度設置，以及支架拆除順序、梁拱受力體系轉換等直接影響梁拱撓度。同時，施工過程中的各種因素會導致橋梁最終成橋線形及內力與設計要求出現偏差。因此，在大跨度預應力混凝土系桿拱橋施工過程中，線形控制是極其重要的內容[4]。本文以廣大鐵路80 m跨度系桿拱橋施工為例，采用MIDAS/Civil軟件對該橋進行了全施工節段仿真分析，得到各施工階段理論變形值，通過設置合理的預拱度對全橋施工過程中的線形進行控制，保證了成橋線形滿足規范要求。

1 工程概況

云南廣大鐵路跨城市主干道關鳳大道大橋，長262.26 m，橋跨結構為（32+80+4×32）m，主跨采用80 m系桿拱跨越關鳳大道，理論矢高16 m。系梁為單箱三室預應力混凝土結構，梁端高3.3 m，跨中高2.8 m。跨中梁寬11.6 m，梁端加寬至12.5 m。建成后橋下凈空5.77 m。拱肋為鋼筋混凝土結構，箱形截面，尺寸為2.3 m（高）×1.2 m（寬）。兩肋之間設3根鋼筋混凝土橫撐與拱肋連接，箱形截面，尺寸為1.9 m（高）×0.8 m（寬），與拱肋交接處采用折線過渡。全橋共設11對吊桿，間距為6.0 m，采用OVM.GJ15‐31鋼絞線整束擠壓拉索體系吊桿（帶測力傳感器），外套采用HDPE護套。系桿拱橋位于-1.2%縱坡上。

2 系桿拱橋線形控制

2.1 施工工藝及流程

系桿拱橋采用先梁后拱原位現澆施工。主要施工工藝及流程包括：①系桿拱兩端橋墩施工完畢后搭設系梁支架，采用鋼管支柱結合工字鋼支架，現澆混凝土前對支架進行預壓，預壓荷載不小于系桿拱自重及梁上支架重量的120%，以消除非彈性變形。澆筑系梁底板、腹板、頂板及拱肋拱腳部分混凝土。②在梁頂采用碗扣式多功能鋼管滿膛支架，澆筑拱肋混凝土前對支架進行預壓，預壓荷載不小于拱肋自重的120%，以消除非彈性變形。澆筑拱肋及橫撐混凝土。拱頂部設置1 m合龍段，待其他部位混凝土強度達到90%且齡期不少于15 d時，再采用微膨脹混凝土澆筑合龍段。③拆除梁上拱肋支架，按順序依次張拉吊桿。④吊桿張拉完成后拆除系梁支架，進行二期鋪裝。

2.2 線形控制的方法及原理

監控橋梁線形時，首先計算施工預拱度和設計預拱度，然后根據計算結果作出設計線形、成橋線形、施工期預拱度線形。施工過程中對標高、內力進行監控，并與模擬計算值對比。對橋梁結構的主要參數進行識別，找出產生偏差的因素，從而對參數進行修正。橋梁理論線形見圖1。圖中：1為拱肋設計線形，2為拱肋成橋線形，3為拱肋施工期線形；a為系梁設計線形，b為系梁成橋線形，c為系梁施工期線形。

圖1 橋梁理論線形

2.3 預拱度計算

采用MIDAS/Civil軟件模擬實際施工階段，對混凝土自重、混凝土收縮徐變，預應力張拉荷載作用下拱肋、系梁撓度進行計算。

1）施工預拱度。該值為橋梁二期鋪裝完成后結構的累積變形值，方向向上。考慮短期彈性撓度和已經發生的混凝土收縮徐變，可以得到梁體各施工階段拱肋、系梁施工預拱度計算表達式，即

式中：f施為施工預拱度；∑f1i為混凝土自重作用對系梁、拱肋產生的撓度；∑f2i為預應力作用對系梁、拱肋產生的撓度；∑f3i為吊桿力對系梁、拱肋產生的撓度；∑f4i為施工過程中收縮徐變對系梁、拱肋產生的撓度，本橋按合龍后5年收縮徐變考慮；∑f5i為施工階段臨時荷載對系梁、拱肋產生的撓度；∑f6i為體系轉換后二期荷載作用對系梁、拱肋產生的撓度。

2）設計預拱度。主要考慮列車荷載和后期的收縮徐變作用（收縮徐變效應考慮5年），其表達式為

式中：f設為設計預拱度；h1i為收縮徐變值；h2i為活載作用下主梁撓度。

根據有限元模型劃分拱肋、系梁線形控制節點位置，見圖2。

圖2 拱肋、系梁控制節點位置（單位：dm）

設計預拱度是橋梁在正常運營過程中受力安全的基本保證，施工預拱度是成橋線形控制的關鍵。為了抵消橋梁在施工及運營過程中產生的下撓，需要設置設計預拱度和施工預拱度。根據拱肋、系梁控制節點位置，通過有限元仿真模擬，計算得到拱肋、系梁施工預拱度和設計預拱度，見圖3。可知：設計預拱度大于5年收縮徐變值和1/2列車靜活載產生的變形值；施工預拱度為各控制點成橋累積撓度與設計預拱度之和，最大位置發生在拱肋與系梁的跨中，其余控制節點基本按線性變化控制。

圖3 拱肋和系梁撓度及預拱度

2.4 立模標高計算與控制

在系桿拱橋原位支架混凝土澆筑過程中，立模標高合理與否決定了成橋線形是否平順、是否符合設計要求。控制點立模標高H立計算公式為

式中：h設為控制點設計標高；h支為支架預壓變形、地基變形值。

根據式（3）和圖2計算控制點標高。由于該橋位于線路-1.2%縱坡上，須考慮線路縱坡對立模標高的影響。控制點之間的立模標高通過線性內插方式得到。

施工過程中，通過支架頂木楔調整控制系梁的底模標高；通過箱梁側模高度控制頂面標高；通過在鋼管架頂口安裝50 cm長的可調式頂托調整拱肋的底模標高；通過拱肋側模高度控制頂面標高，較好地保證了成橋線形。

2.5 拱肋及橋面撓度監控

2.5.1 測點布置

拱肋及橋面撓度測量數據是橋梁線形控制的最主要依據。為了測量每個施工階段拱圈及橋面的撓度變化情況，在拱肋、系梁上起拱點及L/8，L/4，3L/8，L/2（L為跨度）位置對稱設置線形監測控制斷面，在每個監控斷面上設置監控測量點（圖4）。

拱肋監控測量點布設：在每榀拱肋的拱軸線上粘貼全站儀反光片，記為測點①和測點②。系梁監控測量樁布設：在每個控制斷面的兩邊及中間預埋?20長30 cm的短鋼筋作為高程監控測量樁，短鋼筋測量樁與相應位置的主筋點焊接牢固，上端高出混凝土面10 cm，用紅油漆標記，記為測點1—測點3。

圖4 線形測點布置

2.5.2 測量結果分析

1）工況1（拱肋支架拆除）。系桿拱橋拱肋與梁剛性聯接，其支架拆除順序對結構安全、豎向變形影響較大。拱肋常用支架拆除方案有2種：①從拱頂往拱腳逐步對稱拆除支架；②從拱腳往拱頂逐步對稱拆除支架。根據有限元模擬結果可知，方案①中拱頂最大撓度及拱腳最大拉應力、最大壓應力均比方案②小，故采用方案①順序拆除支架。經現場實測并對監控數據統計分析，拆除拱肋支架后拱頂最大撓度為5.8 mm。

2）工況2（第1次張拉吊桿）。吊桿分2次張拉，拱肋滿膛支架拆除后，按設計張拉順序對吊桿進行第1次張拉，張拉力控制值為700 kN。此時系梁支架沒有拆除，系梁標高沒有抬升，拱肋變形較小，對系梁及拱肋線形影響不大。

3）工況3（系梁支架拆除）。系梁采用鋼管結合工字鋼支架完成現澆施工，其豎向撓度在支架拆除前后變化較大。支架從跨中往兩邊對稱拆除方案最優。實測系梁支架拆除后豎向最大撓度發生在跨中，為17.5 mm；拱肋豎向最大撓度發生在拱頂，為13.8 mm。

4）工況4（第2次張拉吊桿）。根據設計張拉順序和索力第2次張拉吊桿，測量拱肋、系梁控制截面前后標高，拱肋跨中最大撓度9.91 mm，系梁跨中最大撓度15.24 mm。

5）工況5（二期鋪裝完成）。拱肋最大撓度發生在二期荷載鋪裝完成的成橋階段。成橋后拱肋撓度見表1。可知：L/8，L/4，L/2拱肋處撓度分別為-6.45，-13.45，-18.36 mm；實測值與設計值的最大差值為 4.016 mm，則 4.016/80 000=1/4 357，滿足TB 10203—2002《鐵路橋涵施工規范》[5]中拱軸偏離不得大于計算跨度的1/1000且不大于30 mm的要求。

二期荷載鋪裝完成后，系梁撓度見表2。現澆系梁時梁底標高已考慮了設計預拱度及施工預拱度參數。二期恒載后，通過吊桿索力調整及作用，撓度實測值與理論值的最大差值為4.889 mm，滿足TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》[6]中系梁實測數據與設計誤差小于±10 mm限值要求。

表1 二期荷載下拱肋撓度

表2 二期荷載下系梁撓度

綜上，通過有效控制拱肋及系梁各控制點的撓度，在5種工況下成橋線形均符合設計要求。

3 結語

采用倒推分析方法對主拱圈和系梁支架搭設、預拱度設置、立模標高控制、支架拆除順序比選、吊桿張拉、梁拱受力體系轉換等關鍵工序進行有限元模擬，得出每步數據控制目標，并經過施工過程有效控制，最終拱肋、系梁最大撓度小于設計要求，確保了成橋線形，對同類型橋梁工程線形控制有一定借鑒作用。