钢管混凝土拱桥的施工控制

摘要:结合钢管混凝土拱桥施工控制的实例,探讨钢管混凝土拱桥施工控制的主要内容与控制方法,对监控结果进行分析,并对施工中需注意的事项提出几点建议。

关键词:钢管混凝土　拱桥　施工控制

中图分类号:U448122 + 4 　文献标识码:B

　工程概况

　　倮裹大桥主桥为60 m(钢筋混凝土箱形拱) + 3 ×98 m(钢管混凝土拱) + 60 m(钢筋混凝土箱形拱) ,总体布置见图1。其中钢管拱肋的主拱圈均采用哑铃形截面,上、下钢管均为厚14 mm <900 mm ,与腹板一起组成高2．2 m 的竖哑铃,内灌C50 混凝土。钢管拱肋采用缆索吊装法施工。

　　钢管混凝土拱桥的施工过程大致可分为四个阶段: ①钢管拱肋制作; ②架设空钢管拱肋; ③灌筑管内混凝土; ④桥面系的安装施工。

2 　施工控制的目的和原则

2．1 　施工控制的目的

　　钢管混凝土只有在受压时才能充分体现出其优越的技术经济性能,合理的拱轴线可以使拱肋在成桥后处于受压状态,能够充分发挥材料的特性。大跨度拱桥的设计拱轴线虽是经过设计人员精心计算确定的,但施工中由于多种不确定因素的影响,难免与设计间存在误差,特别是拱肋的施工方法,往往会给结构带来复杂的内力和位移的变化,对倮裹大桥进行施工控制的目的就是使其成桥后的内力和线形最大限度地接近理想设计状态。

2．2 　施工控制的原则

　　根据钢管混凝土拱桥的特点,在施工过程中总的控制原则是,在确保拱肋稳定的情况下,采取以变形控制为主、兼顾应力控制的双控原则。在不同的施工阶段,施工控制的侧重点有所不同:

　　1) 钢管拱肋架设阶段　由于钢管拱肋一经合龙,在此后的施工过程中无法再进行大的调整,或者说调整的余地非常有限,因此,本阶段的控制重点是对钢管拱肋的轴线和标高进行控制,即以线形控制为主,应力控制为辅。

　　2) 管内混凝土浇筑阶段　拱肋截面特性随施工进程不断变化,先期浇筑的混凝土与钢管拱肋一起参与后期混凝土的荷载,在整个浇筑过程中拱肋截面的应力和变形都在变化,该阶段以应力控制为主,变形控制为辅。

　　3) 桥面系安装阶段　该阶段钢管混凝土拱肋已有很大的刚度,拱轴的变化比较小,只需遵循对称均衡加载的原则安装桥面系,使拱肋均匀受力变形就不会有大的问题,因此,该阶段的控制重点是桥面的线形控制。

2．3 　施工控制的具体任务

　　结合钢管混凝土拱桥的施工特点,本桥施工控制的重点主要放在钢管拱肋安装合龙阶段与灌筑管内混凝土阶段,施工控制的内容主要为: ①主拱肋吊装阶段的轴线控制; ②灌筑管内混凝土阶段主拱的变形与关键部位的应力监测; ③各施工阶段的标高控制; ④施工各阶段的应力控制。

3 　施工控制的方法与手段

　　对结构的应力控制主要是利用有限元程序对施工过程进行模拟计算,得出理论计算值,再与实测值进行比较,对结构的实际状态作出合理的判断,如有问题及时采取适当的补救措施。应力、应变的实测主要利用钢弦式表面应变计进行。

　　对标高和轴线的控制主要采用建立施工控制网,利用全站仪进行双前测边前方交会测量,并对观测数据进行多次平差,从而最大限度地排除各种随机因素产生的误差。轴线的调整采用横向侧缆风进行,一般用手动葫芦收放侧缆风进行人工调整即可;标高调整通过收放扣索实现,即张拉扣索力或放松扣索使其由扣点至张拉处的长度缩短或加长,从而使拱段控制点的标高有所升降。

3．1 　施工过程的模拟计算

　　该桥施工前应用有限元程序对混凝土灌筑过程进行了内力、位移计算和稳定性验算。考虑到本桥为典型的杆系结构,且墩台有足够大的刚度,计算时采用平面梁单元按固定拱建立模型。全桥共划分为94 个单元,95 个节点。各阶段荷载换算成主拱圈自重施加。

　　施工阶段有: ①主拱钢管合龙并封固拱脚(放松缆吊) ;②灌筑下管混凝土至LP4 处; ③灌筑下管混凝土至拱顶; ④灌筑上管混凝土至LP4 处; ⑤灌筑上管混凝土至拱顶; ⑥灌筑腹腔混凝土至LP4 处; ⑦灌筑腹腔混凝土至拱顶。施工各阶段模拟计算结果见表1。

　　稳定性验算表明,各阶段的弹性屈曲系数均> 16 ,远大于规范(规定为4～6) 的要求。因此,本桥灌筑混凝土的过程具有足够的整体稳定性。

3．2 　施工控制网的建立

　　施工控制网的精度是决定观测精度的主要因素,依据有关规范要求和结构允许的安装误差及变形大小,按精度匹配的原则拟定控制网的精度,以确保观测误差不至于掩盖结构的真实变形。据此,建立二等精度控制网,由于原有高级控制点有一部分不能适应施工控制和变形观测的需要,因而在原有控制网的基础上按二等精度施工网加密控制点,使之组成一个四边形二等三角网。

3．3 　监控测点的布设

3．3．1 　钢管应力测点布置

　　应力状况监测的目的主要是观测钢管拱在各个施工加载阶段的应力变化情况,以便与理论计算值进行比较,对结构的实际状态作出合理的判断,如有问题及时采取适当的补救措施。由有限元仿真计算的结果可知,最不利截面位置基本对应于拱脚、LP4、拱顶截面,故应力测点布置设在拱脚、LP4、拱顶三截面处,每个截面均在上管的顶面及下管的底面,布置钢弦式表面应变计,测试钢管拱的应力应变情况。

　　在监控的过程中发现,拱脚截面处是主要的施工作业面,要进行多种作业,最后还要封闭,应变计布置于此很难避免受到刮、擦、碰撞甚至被破坏,故拱脚处截面测点布置时向跨中方向移半个节间,即布置在两个节点间,以避开各种施工影响。通过对测点位置与应力最不利位置的应力进行对比计算,结果表明测点位置的应力值虽略小于最不利截面的应力值,但相差不大,可忽略不计。

3．3．2 　标高观测点布置

　　标高观测点设在靠近每个主拱分段接头处和拱顶处,在钢管拱肋的各测点处焊固基座,安装观测三棱镜进行观测。此方案不仅能进行长期实时观测,还能反映整个钢管拱的整体变形。

4 　观测结果

　　在此仅给出三跨钢管拱肋吊装合龙阶段钢管拱的拱顶高程(含预拱度) 及轴线的设计值及其在合龙时和焊完并放松缆吊后的实测值见表2。

5 　结语

　　1) 由监测结果可以看出,合龙时的拱顶高程、轴线虽经反复调整,但结果与设计值仍有一定的偏差,主要原因是钢管拱加工历时长,加工时的环境温度与安装和合龙时相比相差很大,而钢结构对温度变化又十分敏感,导致钢管拱轴线变化很大。因此,在钢管拱肋制作时必须考虑温度的影响, 即以合龙温度(一般为

15 ℃～20 ℃) 换算钢拱架制作在不同季节和时段因温度变化产生的线膨胀或收缩值,在拱肋节段加工时计入。

　　2) 为切实保证钢拱肋合龙后的轴线、高程符合设计要求,在制作拱肋合龙段(本桥为中段) 时,可按设计要求设置嵌填段,其设计长度为15 cm ,即制作时合龙段的长度比设计长度略长。

　　3) 拱顶高程、轴线在合龙时的实测值与焊完松缆吊后的实测值相比变化较大,主要是因为焊接时间过长(长达1 个星期左右) ,在此期间,环境条件变化较大,造成拱顶高程、轴线发生偏离。因此,为了更好的控制线形,钢拱肋在吊装合龙后,在选定的合龙温度条件下及时施焊固结,尽量缩短焊固时间,迅速合龙,并在焊接时注意对称施焊,以最大限度地减少焊接变形。为了减小接头焊接残余应力,接头焊缝采用机械锤击。

　　4) 在拱肋安装过程中,考虑扣索弹性伸长设置拱肋节段的预抬高量,并推算后续安装节段控制点高程,使拱肋在安装阶段和合龙后满足线形要求。

　　5) 在灌筑管内混凝土阶段,尤其是泵送靠近拱脚处拱段混凝土时,混凝土的重量完全由钢管拱承担,此时钢管拱的受力是最不利的,变形也较大,此阶段须采取一定的措施来控制钢管拱的变形。可采取拱顶压注水箱法或使扣索参与承担荷载以代替施工配载,这样不仅可以调整拱肋的形状,还可使拱内的受力情况得到改善。

　　6) 在管内混凝土灌筑过程中钢管拱的内力状态和位移变化复杂,有必要按照施工进程进行跟踪计算,以便与实测值进行对比,及时掌握结构的真实状态,保证施工安全。