大跨度鋼管拱異位拼裝整體縱移施工監測

張遠征

（中鐵三局集團第二工程有限公司，河北 石家莊）

引言

連續梁拱組合橋是拱與梁的有機組合結構，能充分發揮兩種結構的優點，提高結構整體剛度與跨越能力等，具有極大優勢。胡曉勇[1]等對廣州南沙蕉門河車行橋施工過程中的拱肋、鋼箱梁和吊桿等關鍵部位的應力、變形等力學參數進行監測。鮑麗麗[2]等以京滬高鐵跨錫北運河為研究對象，采用自適應控制進行拱肋、系梁的線形監測，同時對施工過程中的應力、溫度場、拱腳位移和吊桿的內力進行監測。高陽[3]等以武廣客運專線東平水道大橋為研究對象，通過有限元法和現代監測技術，對橋梁施工過程中的拱肋和梁的線形、應力、環境溫度等力學參數進行監測。還有其它學者[4-9]也對不同連續梁拱組合橋在不同施工階段進行了力學和健康監測方面的研究。以一座大跨度連續梁拱組合橋的施工過程為研究對象，對鋼管拱異位拼裝全過程受力進行監測，分析其在各個施工階段的力學特性，并同有限元分析結果進行比較，保障大跨度鋼管拱的施工安全。

1 工程概述及施工方案

蘄河特大橋連續梁拱組合橋跨布置為(100+196+100)m，全長397.5 m。連續梁為預應力混凝土結構，采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點梁高為5.5 m，中支點梁高12.5 m，梁底按1.6 次拋物線變化。鋼管拱截面為啞鈴型截面，拱內填充C55微膨脹混凝土，其計算跨徑為L=196 m，設計矢高f=39.2 m，矢跨比1/5，拱軸線為拋物線，設計拱軸線方程為。兩榀拱肋間共設置10 道桁架型橫撐，吊桿順橋向間距9 m，全橋共設20 組雙吊桿。

鋼管拱肋分為3 個部分，包括拱腳段、嵌補段和縱移段。其施工主要分為異位拼裝、拼裝支架拆除、整體縱移和鋼管拱就位4 個階段。在異位拼裝施工階段，先將鋼管拱分為15 個階段進行預制，然后運至施工現場拼裝成9 個大節段，在非橋位89#～95#橋墩間箱梁上進行拼裝支架的安裝，并利用兩臺160 t 的汽車吊按照從拱腳至拱頂的順序對稱拼裝至合龍。

其次是拼裝支架拆除施工階段，拆除之前要先安裝4 組12 根Φ15.2 臨時拉索，利用QYC-270 千斤頂一根一根進行張拉，再利用汽車吊從兩側向中間對稱拆除支架。支架拆除期間即進行縱移軌道的鋪設，同時在大里程方向臨時拱腳處進行頂推液壓千斤頂的安裝，然后就可以利用2 臺50 t 液壓千斤頂對鋼管拱進行整體縱移。當縱移到指定位置后，對鋼管拱拱腳處進行混凝土澆注。最后還要對合龍口進行觀測以便進行嵌補段進行施工。

2 鋼管拱施工監測方案

根據鋼管拱施工階段進行監測，及時獲取鋼管拱在不同施工階段的數據，實時得到鋼管拱線形與應力狀態，可針對施工過程中超出限制而做出有效措施，以保證鋼管拱的施工滿足設計要求。同時，現場監測數據還可作為有限元模擬有效數據支撐，保證有限元模型準確性。

2.1 應力監測

應力監測是檢查鋼管拱在施工階段工作狀態最有效的手段。鋼管拱應力監測設備采用表面智能數碼振弦式應變計。根據前期有限元分析的計算結果，在鋼管拱計算跨徑的1/4、2/4、3/4 截面的上、下邊緣處粘貼應變計進行應力監測。

2.2 線形監測

鋼管拱的施工線形會直接影響成橋線形，需要在鋼管拱大節段前端截面上緣安裝棱鏡，利用全站儀測量相應測點的三維坐標，根據鋼管拱的施工階段，分別在鋼管拱拼裝階段、支架拆除及拉索張拉、整體縱移到位進行線性監測。

2.3 臨時拉索索力值監測

鋼管拱拼裝支架拆除之前會安裝臨時拉索，如果索力太小，鋼管拱在支架拆除后會產生較大的水平推力，鋼管拱也會產生較大的豎向位移，因此，臨時拉索索力對鋼管拱能否順利縱移到位非常關鍵。目前索力值的現場監測主要方法有油壓表測量法、壓力傳感器測量法、振動頻率測量法。本文采用索力動測儀測量臨時拉索的振動頻率獲取索力值，測量時應在溫差及風速較小的狀態下進行，以保證測量精度。

3 現場監測數據分析

根據鋼管拱不同施工階段，重點對其進行線性、應力、索力等力學參數進行監測，實時獲取鋼管拱在不同施工階段的力學行為，監測結果如下所述。

3.1 線形監測結果

鋼管拱異位拼裝及支架拆除、整體縱移到位3 個施工階段中測點軸線最大偏差5 mm，高程最大偏差4 mm， 根據《鋼管混凝土拱橋技術規范》(GB50293-2013)規定，鋼管拱肋拼裝以及拆除臨時支架后軸線偏差限值為L/6000=31.833 mm，拱圈高程偏差限值為L/3000=63.667 mm，鋼管拱線形實測值在規范要求范圍內，滿足要求，見圖1。

圖1 鋼管位移(單位：mm)

3.2 臨時拉索索力監測結果

隨著支架的拆除，臨時拱腳處產生的水平推力不斷增大，導致臨時拉索所需內力也是不斷增大的，臨時拉索索力與初拉力設計值1 150 kN 之間存在一定的差別，主要原因如下：鋼絞線逐根張拉需克服相互之間的摩檫力；拉索并未完全拉直，存在一定垂度，導致計算的比例系數存在一些偏差；拾振器綁扎出現松動，導致監測的振動頻率存在誤差等。

3.3 應力監測結果

左右兩側鋼管拱應力變化趨勢相近，均為先增大后減小。鋼管拱在縱移過程中應力在-7.3～14.2 Mpa之間變化，結構在縱移過程中應力變化幅度不大，說明前進過程平穩。并且左右側拱肋2/4 截面上緣和下緣均處于受拉狀態，且應力呈反對稱分布，見圖2。

圖2 右側拱肋1/4 處應力曲線(單位：MP)

4 施工過程有限元數值分析

利用ABAQUS 有限元創建鋼管拱、支架、風撐等實體單元零部件，鋼管拱拼裝節段間利用綁定約束來模擬連接，拱肋與風撐采用綁定約束進行連接，與拼裝支架采用耦合進行連接。臨時拉索采用受拉桁架單元，與臨時拱座采用約束模擬連接。

通過有限元軟件建模分析，鋼管拱拼裝完成后各個測點位置位移分析值與實測值對比，為了簡便，此處僅列出鋼管拱合龍后的實測值和有限元計算數值的對比數據，見圖3。

圖3 鋼管拱合龍后位移對比(單位：mm)

根據施工現場臨時拉索安裝位置，利用ABAQUS建模計算，得到拆除支架前后臨時索力所需的張拉力值。隨著每組支架拆除，臨時拱腳處水平推力不斷增加，臨時拉索索力值也不斷增加。通過有限元軟件建模分析鋼管拱張拉后各個測點位置位移分析值與實測值對比，見圖4。由圖4 可知，實測值與有限元模擬值趨勢一致，說明有限元數值分析和監測數據是可靠的。

圖4 臨時拉索張拉后鋼管拱豎向位移

5 結論

以蘄河特大橋為工程背景，對鋼管拱在施工過程中的應力、變形和整體穩定性等力學行為進行施工監測，并同有限元分析結果進行比較，主要結論如下。

（1） 本文施工監測方案合理，采用的監測方法有效，測點布置和監測數據能夠滿足鋼管拱的施工精度要求；

（2） 鋼管拱在各施工階段的軸線和高程均滿足規范規定的要求，說明其整個施工過程規范合理，滿足連續梁拱組合橋的線形要求；

（3） 鋼管拱在整體縱移施工階段，不同測點的應力、臨時拉索索力等力學參數同有限元數值分析接近，且數值變化不大，說明鋼管拱縱移過程運行平穩，滿足施工規范的要求。