.連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋施工控制研究

摘 要：連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋的施工內容包括梁體分段澆筑、梁體合龍、拱肋組裝、管弦混凝土灌注、吊桿張拉、路面鋪裝等。為了提高工程質量，研究過程在連續梁的頂板和底板、拱肋的上下管弦分別布設測點，通過高精度全站儀測量標高數據，對其進行線形控制。同時設置埋入式應變傳感器，獲取連續梁和管弦的應力數據。結果顯示，線形實測值與理論值的最大偏差僅為10mm，整體可控。應力分布及變化趨勢符合理論預期，滿足施工要求。

關鍵詞：連續梁；鋼管混凝土拱；梁拱組合橋施工控制；線性控制；應力監測

中圖分類號：U 445 " " 文獻標志碼：A

梁拱組合橋的施工難度主要體現在連續梁的線形和應力控制方面，尤其是在合龍、張拉、鋪裝階段，連續梁和拱肋的受力體系會發生較大的變化，如果施工控制措施不到位，就會導致線形異變、應力分布不均等問題。在工程實踐中，通常采用有限元分析法獲取各工況下的理論數據，再通過現場實測采集實際施工時的線形和應力數據，對比理論值和實測值的偏差，如果二者高度接近，就說明施工控制效果良好，反之就需要改進技術措施。

1 工程概況

某高速鐵路橋采用連續梁+鋼管混凝土梁拱設計方案，跨度為77m+160m+77m。主梁全長為134m，為預應力連續混凝土箱梁，以C55混凝土澆筑而成，分別設置2個邊支點和2個跨中支點，對應梁高為9.0m、4.5m。箱梁最大寬度為16.3m，頂板厚度為0.40m～0.52m，底板厚度為0.36m～0.95m，腹板厚度為0.40m～0.70m。梁段數量共70個，長度為3.0m～17.0m，最大質量為331.8t。鋼管拱設置在主跨上，長度為160m，矢高達32m，其主體結構為拱肋、吊桿、橫撐等。

2 連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋施工仿真計算方法

在連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋的施工控制中，可利用有限元分析法，模擬施工時的應力變化和截面變形，為制定施工方案提供依據。

2.1 建立有限元模型

建模時采用MIDAS/civil軟件，橋梁模型中共建立了880個單元，節點數量為742個，與連續梁相關的節點數和單元數分別為242個、117個。當建模時，用梁單元模擬連續梁，如果梁段中存在變截面，就設置專門的變截面組。拱肋是該橋梁的重要組成部分，其結構形式為鋼管混凝土，同樣以梁單元模擬連續梁。吊桿上的作用力為拉應力，可采用桁架單元進行模擬。

2.2 選取模型參數

2.2.1 材料參數

當建模時，應根據材料的特點，合理選取選料的技術參數。連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋涉及的工程材料包括Q345鋼材、鋼絞線以及混凝土，各材料的技術參數見表1。

2.2.2 載荷參數

在施工過程中，載荷對線形控制具有突出的影響，載荷分為恒載荷、掛籃載荷、預應力載荷等。將掛籃的載荷設置為987.3kN/㎡，二期恒載荷設置為135kN/㎡。在預應力張拉階段，將底板束和其他剩余鋼束分別張拉至標準強度的65%、70%。

3 連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋施工控制

3.1 線形控制方法及結果

由于該橋梁跨度和質量較大，難以進行整體吊裝，因此采用分段制作與合龍的施工方法，在此過程中，受到材料變形收縮、測量定位、施工質量等多種因素的影響，有可能導致線形異變[1]。為了控制全橋線形，制定以下技術措施。

3.1.1 橋梁線形布點監測

3.1.1.1 連續梁布點監測方法

根據本項目的梁段施工特點，可將其劃分為邊孔梁段、合龍梁段、梁拱結合段、中孔梁段，其中將梁拱結合部位的梁段稱為0#梁段，其他各梁段的編號及特點見表2。連續梁布點位置分布在橋面和梁底，邊孔梁段、中孔梁段組合在一起可形成若干混凝土塊件。

橋面布點方法：在0#梁段布置3個基準點，其余各塊件的橋面部位均布置5個測點。以2#塊件（由K2'和K2梁段組成）為例，在兩側邊腹板的中心位置處各布置一個測點，記為2_1測點和2_5測點，在2#塊件的中心位置部署2_3測點，2_2測點和2_4測點在兩側箱室的軸向中心線上。

梁底布點方法：橋面寬度略大于梁底截面，因此在梁底布置4個監測點，將梁底沿著橫向斷面進行五等分，4個監測點均布置在五等分點上[2]。

監測點測量方法：在測量過程中使用高精度的水準儀，橋梁結構受到溫度的影響，存在一定變形伸縮量，為避免其影響測點結果，可在8：00—11：00或者17：00—19：00進行測量，規避高溫時段。

3.1.1.2 拱肋布點監測方法

鋼管混凝土拱的主要結構為拱肋，即最上部的拱形結構，拱肋與連續梁之間設置有吊桿，其三維結構如圖1所示。拱肋的節段數量為15個，兩端拱腳預埋在混凝土連續梁內，在中跨進行合龍。除了預埋的拱腳節段和合龍段外，拱肋的剩余12個節段都要設置監測點，可在其節段上粘貼直徑為3cm的反射片，利用全站儀進行高程測量[3]。

3.1.1.3 連續梁立模標高的計算方法

橋梁線形控制分為水平方向和垂直方向，對垂直方向的控制來說，關鍵是掌握連續梁立模的標高，一旦確定該指標，就可以確定連續梁的底部和頂部標高。立模標高的計算方法如公式（1）所示。

H=H0+fs+fy+fg " （1）

式中：H為主梁梁底立模的標高，根據梁的設計高度確定模板的高度；H0為主梁梁底的設計標高；fs、fy分別為施工階段和橋梁運營階段的預拱度；fg為掛籃的變形值[4]。

橋梁結構變形的機理較為復雜，與材料、預應力、結構布局等很多因素存在緊密的聯系，公式（1）所示的理論計算方法往往與實際情況存在一定的差異，需要在施工過程中修正相關的參數或者模型[5]。修正方法及主要流程如下。①掌握連續梁線形，與設計目標進行比較，評估控制效果。②更新主梁的線形。③判斷可能的誤差來源及是否存在系統誤差。④用正裝分析法對結構變形和受力進行分析。⑤判斷能否將橋梁線形控制在允許范圍內。⑥判斷是否可縮小誤差，如果可以就改進模型。⑦如果誤差不能縮小，就繼續判斷是否為系統誤差。⑧如果為系統誤差，就建立修正方法及實施步驟。⑨修正之后再次進行正裝分析。

3.1.2 橋梁線形控制結果分析

3.1.2.1 連續梁線形控制結果分析

連續梁的4個墩號分別為23#、24#、25#、26#，其中24#和25#為主跨的橋墩，二者之間的距離為160m。表3統計了24#橋墩部分節段底板軸線標高的有限元分析法理論計算值和實測值。綜合所有理論計算值與實測值的差異，其偏差為-0.009m～0.01m。由此可見，梁底中線偏差的最大值僅為10mm，與橋梁的幾何尺度相比，偏差非常小，說明連續梁線形控制的效果較好。

3.1.2.2 拱肋線形控制結果分析

拱肋的線形監測分為若干工況，包括拼裝階段、支架拆除階段、混凝土灌注階段、拱肋初步張拉階段、橋面鋪裝階段以及拱肋終張拉階段等，表4為混凝土灌注階段的監測數據。在拱肋終張拉階段，小里程拱腳、1/4跨、中跨、3/4跨、大里程拱腳對應的實際撓度分別為0.0000m、-0.0002m、0.0012m、-0.0002m、0.0000m，有限元分析法計算的理論撓度為-0.0001m、-0.0003m、0.0014m、-0.0003m、-0.0001m。在橋面鋪裝階段，5個監測斷面對應的實際撓度為-0.0002m、-0.0114m、-0.0210m、-0.0112m、-0.0001m，相應的理論撓度為-0.0002m、-0.0123m、-0.0222m、-0.0123m、-0.0002m。

綜合各階段的監測數據，拱肋線形監測高程有限元分析理論值與實測值的最大偏差不超過5mm，說明其線形控制效果良好，符合設計預期。

3.2 應力監測及控制效果

主梁和鋼管混凝土拱架需要進行合龍、吊桿張拉等操作，在作業前后，兩種結構的受力體系將發生較大變化，有可能導致應力集中的問題，為保障結構受力的安全性，應該監測橋梁的應力分布[6]。

3.2.1 應力監測的布點方法

3.2.1.1 連續梁應力監測方法

根據連續梁的結構特點，設置11個應力監測斷面。在23#墩和24#墩之間的邊跨設置3個監測斷面，主跨在24#墩和25#墩之間，設置5個監測斷面，25#墩和26#墩之間的邊跨設置3個監測斷面。在每個斷面上須設置靈敏度較高的埋入式應變傳感器，數量均為6個。

3.2.1.2 拱肋應力監測方法

拱肋為弧形結構。設置5個監測斷面，第1個斷面和第5個斷面在靠近拱腳的位置，第2個斷面和第4個斷面分別在1/4弧、3/4弧處，第3個監測斷面設置在弧頂處。截面上拱肋鋼管的上側和下側均設置1個測點，因此每個斷面為2個監測點。拱肋應力監測也是在多個工況下進行，尤其是受力變化較大的情況，例如鋼管內灌注混凝土、吊桿張拉[3]。

3.2.2 應力控制的效果分析

3.2.2.1 連續梁應力控制效果

將24#墩附近的應力監測截面作為分析對象，截面的具體位置包括連續梁中跨的1/4處、1/2處以及梁根部。連續梁的應力變化與施工工況具有直接關聯，須對施工工況進行編號。例如，1#混凝土塊體的澆筑工序編號為G1，其對應的張拉工序編號為G2，共41個工況。部分應力監測數據見表5。綜合相關應力監測數據，可得到以下結論。該項目的連續梁為懸臂梁，主梁根部監測斷面的相關數據表明：在實際施工過程中，梁整體受壓，并且壓力隨著懸臂長度的增加而變大，實測應力值與理論計算的應力值較為接近，其整體變化趨勢基本吻合，實際應力分布符合理論預期。

從主梁中跨1/4處梁段的監測數據可知，在梁體澆筑的過程中，隨著澆筑工序的持續推進，梁底壓力呈上升趨勢。中跨合龍后，連續梁體系完整，應力分布進入穩定狀態，實測應力的變化趨勢與理論計算結果基本一致，說明應力控制效果符合預期。

從主跨跨中斷面的應力監測結果可知，當實施拱肋安裝、混凝土灌注、吊桿安裝等工況時，主梁跨中的應力較為穩定，僅當吊桿初步張拉時出現了一定的應力變化。但各階段的應力變化值與理論值較為接近，整體的應力變化趨勢與理論值保持一致，說明拱肋施工并未影響連續梁的應力穩定性。

3.2.2.2 拱肋應力控制效果

拱肋安裝完成后，還需要實施4個工況，包括灌注上管弦和下管弦混凝土、吊桿初步張拉、鋪裝橋面配套設施以及吊桿二次張拉。表6是拱肋上5個監測斷面的部分應力監測數值。綜合拱肋應力控制的相關數據，可得到以下結論。拱肋下管弦的壓應力整體明顯小于上管弦的壓應力。上下管弦的壓應力分別為-23.20MPa～69.12MPa、-0.55MPa～4.83MPa。

隨著吊桿張拉和路面鋪裝工程的推進，拱肋受到的豎向載荷作用力持續增加，導致其管弦上的壓應力隨之增加。

拱肋實測應力值與理論計算的應力值偏差較小，二者變化規律基本一致，說明應力控制效果符合預期。

4 結語

在連續梁-鋼管混凝土梁拱組合橋的施工中，采用分段澆筑連續梁、分段組裝拱肋的施工方案，為了有效控制全橋的線形和應力分布，可在梁體、拱肋上下管弦的特定位置布置高程監測點和應力監測傳感器，隨著工序的推進獲取相關數據。對比實測值和計算機模擬數值、理論計算數值，判斷施工過程的線形和應力控制效果。經檢驗，該方法的工程管理效果較好。

參考文獻

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