鋼管混凝土拱橋的施工控制

摘要:結(jié)合鋼管混凝土拱橋施工控制的實例,探討鋼管混凝土拱橋施工控制的主要內(nèi)容與控制方法,對監(jiān)控結(jié)果進行分析,并對施工中需注意的事項提出幾點建議。

關(guān)鍵詞:鋼管混凝土　拱橋　施工控制

中圖分類號:U448122 + 4 　文獻標識碼:B

　工程概況

　　倮裹大橋主橋為60 m(鋼筋混凝土箱形拱) + 3 ×98 m(鋼管混凝土拱) + 60 m(鋼筋混凝土箱形拱) ,總體布置見圖1。其中鋼管拱肋的主拱圈均采用啞鈴形截面,上、下鋼管均為厚14 mm <900 mm ,與腹板一起組成高2．2 m 的豎啞鈴,內(nèi)灌C50 混凝土。鋼管拱肋采用纜索吊裝法施工。

　　鋼管混凝土拱橋的施工過程大致可分為四個階段: ①鋼管拱肋制作; ②架設空鋼管拱肋; ③灌筑管內(nèi)混凝土; ④橋面系的安裝施工。

2 　施工控制的目的和原則

2．1 　施工控制的目的

　　鋼管混凝土只有在受壓時才能充分體現(xiàn)出其優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟性能,合理的拱軸線可以使拱肋在成橋后處于受壓狀態(tài),能夠充分發(fā)揮材料的特性。大跨度拱橋的設計拱軸線雖是經(jīng)過設計人員精心計算確定的,但施工中由于多種不確定因素的影響,難免與設計間存在誤差,特別是拱肋的施工方法,往往會給結(jié)構(gòu)帶來復雜的內(nèi)力和位移的變化,對倮裹大橋進行施工控制的目的就是使其成橋后的內(nèi)力和線形最大限度地接近理想設計狀態(tài)。

2．2 　施工控制的原則

　　根據(jù)鋼管混凝土拱橋的特點,在施工過程中總的控制原則是,在確保拱肋穩(wěn)定的情況下,采取以變形控制為主、兼顧應力控制的雙控原則。在不同的施工階段,施工控制的側(cè)重點有所不同:

　　1) 鋼管拱肋架設階段　由于鋼管拱肋一經(jīng)合龍,在此后的施工過程中無法再進行大的調(diào)整,或者說調(diào)整的余地非常有限,因此,本階段的控制重點是對鋼管拱肋的軸線和標高進行控制,即以線形控制為主,應力控制為輔。

　　2) 管內(nèi)混凝土澆筑階段　拱肋截面特性隨施工進程不斷變化,先期澆筑的混凝土與鋼管拱肋一起參與后期混凝土的荷載,在整個澆筑過程中拱肋截面的應力和變形都在變化,該階段以應力控制為主,變形控制為輔。

　　3) 橋面系安裝階段　該階段鋼管混凝土拱肋已有很大的剛度,拱軸的變化比較小,只需遵循對稱均衡加載的原則安裝橋面系,使拱肋均勻受力變形就不會有大的問題,因此,該階段的控制重點是橋面的線形控制。

2．3 　施工控制的具體任務

　　結(jié)合鋼管混凝土拱橋的施工特點,本橋施工控制的重點主要放在鋼管拱肋安裝合龍階段與灌筑管內(nèi)混凝土階段,施工控制的內(nèi)容主要為: ①主拱肋吊裝階段的軸線控制; ②灌筑管內(nèi)混凝土階段主拱的變形與關(guān)鍵部位的應力監(jiān)測; ③各施工階段的標高控制; ④施工各階段的應力控制。

3 　施工控制的方法與手段

　　對結(jié)構(gòu)的應力控制主要是利用有限元程序?qū)κ┕み^程進行模擬計算,得出理論計算值,再與實測值進行比較,對結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)作出合理的判斷,如有問題及時采取適當?shù)难a救措施。應力、應變的實測主要利用鋼弦式表面應變計進行。

　　對標高和軸線的控制主要采用建立施工控制網(wǎng),利用全站儀進行雙前測邊前方交會測量,并對觀測數(shù)據(jù)進行多次平差,從而最大限度地排除各種隨機因素產(chǎn)生的誤差。軸線的調(diào)整采用橫向側(cè)纜風進行,一般用手動葫蘆收放側(cè)纜風進行人工調(diào)整即可;標高調(diào)整通過收放扣索實現(xiàn),即張拉扣索力或放松扣索使其由扣點至張拉處的長度縮短或加長,從而使拱段控制點的標高有所升降。

3．1 　施工過程的模擬計算

　　該橋施工前應用有限元程序?qū)炷凉嘀^程進行了內(nèi)力、位移計算和穩(wěn)定性驗算?？紤]到本橋為典型的桿系結(jié)構(gòu),且墩臺有足夠大的剛度,計算時采用平面梁單元按固定拱建立模型。全橋共劃分為94 個單元,95 個節(jié)點。各階段荷載換算成主拱圈自重施加。

　　施工階段有: ①主拱鋼管合龍并封固拱腳(放松纜吊) ;②灌筑下管混凝土至LP4 處; ③灌筑下管混凝土至拱頂; ④灌筑上管混凝土至LP4 處; ⑤灌筑上管混凝土至拱頂; ⑥灌筑腹腔混凝土至LP4 處; ⑦灌筑腹腔混凝土至拱頂。施工各階段模擬計算結(jié)果見表1。

　　穩(wěn)定性驗算表明,各階段的彈性屈曲系數(shù)均> 16 ,遠大于規(guī)范(規(guī)定為4～6) 的要求。因此,本橋灌筑混凝土的過程具有足夠的整體穩(wěn)定性。

3．2 　施工控制網(wǎng)的建立

　　施工控制網(wǎng)的精度是決定觀測精度的主要因素,依據(jù)有關(guān)規(guī)范要求和結(jié)構(gòu)允許的安裝誤差及變形大小,按精度匹配的原則擬定控制網(wǎng)的精度,以確保觀測誤差不至于掩蓋結(jié)構(gòu)的真實變形。據(jù)此,建立二等精度控制網(wǎng),由于原有高級控制點有一部分不能適應施工控制和變形觀測的需要,因而在原有控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上按二等精度施工網(wǎng)加密控制點,使之組成一個四邊形二等三角網(wǎng)。

3．3 　監(jiān)控測點的布設

3．3．1 　鋼管應力測點布置

　　應力狀況監(jiān)測的目的主要是觀測鋼管拱在各個施工加載階段的應力變化情況,以便與理論計算值進行比較,對結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)作出合理的判斷,如有問題及時采取適當?shù)难a救措施。由有限元仿真計算的結(jié)果可知,最不利截面位置基本對應于拱腳、LP4、拱頂截面,故應力測點布置設在拱腳、LP4、拱頂三截面處,每個截面均在上管的頂面及下管的底面,布置鋼弦式表面應變計,測試鋼管拱的應力應變情況。

　　在監(jiān)控的過程中發(fā)現(xiàn),拱腳截面處是主要的施工作業(yè)面,要進行多種作業(yè),最后還要封閉,應變計布置于此很難避免受到刮、擦、碰撞甚至被破壞,故拱腳處截面測點布置時向跨中方向移半個節(jié)間,即布置在兩個節(jié)點間,以避開各種施工影響。通過對測點位置與應力最不利位置的應力進行對比計算,結(jié)果表明測點位置的應力值雖略小于最不利截面的應力值,但相差不大,可忽略不計。

3．3．2 　標高觀測點布置

　　標高觀測點設在靠近每個主拱分段接頭處和拱頂處,在鋼管拱肋的各測點處焊固基座,安裝觀測三棱鏡進行觀測。此方案不僅能進行長期實時觀測,還能反映整個鋼管拱的整體變形。

4 　觀測結(jié)果

　　在此僅給出三跨鋼管拱肋吊裝合龍階段鋼管拱的拱頂高程(含預拱度) 及軸線的設計值及其在合龍時和焊完并放松纜吊后的實測值見表2。

5 　結(jié)語

　　1) 由監(jiān)測結(jié)果可以看出,合龍時的拱頂高程、軸線雖經(jīng)反復調(diào)整,但結(jié)果與設計值仍有一定的偏差,主要原因是鋼管拱加工歷時長,加工時的環(huán)境溫度與安裝和合龍時相比相差很大,而鋼結(jié)構(gòu)對溫度變化又十分敏感,導致鋼管拱軸線變化很大。因此,在鋼管拱肋制作時必須考慮溫度的影響, 即以合龍溫度(一般為

15 ℃～20 ℃) 換算鋼拱架制作在不同季節(jié)和時段因溫度變化產(chǎn)生的線膨脹或收縮值,在拱肋節(jié)段加工時計入。

　　2) 為切實保證鋼拱肋合龍后的軸線、高程符合設計要求,在制作拱肋合龍段(本橋為中段) 時,可按設計要求設置嵌填段,其設計長度為15 cm ,即制作時合龍段的長度比設計長度略長。

　　3) 拱頂高程、軸線在合龍時的實測值與焊完松纜吊后的實測值相比變化較大,主要是因為焊接時間過長(長達1 個星期左右) ,在此期間,環(huán)境條件變化較大,造成拱頂高程、軸線發(fā)生偏離。因此,為了更好的控制線形,鋼拱肋在吊裝合龍后,在選定的合龍溫度條件下及時施焊固結(jié),盡量縮短焊固時間,迅速合龍,并在焊接時注意對稱施焊,以最大限度地減少焊接變形。為了減小接頭焊接殘余應力,接頭焊縫采用機械錘擊。

　　4) 在拱肋安裝過程中,考慮扣索彈性伸長設置拱肋節(jié)段的預抬高量,并推算后續(xù)安裝節(jié)段控制點高程,使拱肋在安裝階段和合龍后滿足線形要求。

　　5) 在灌筑管內(nèi)混凝土階段,尤其是泵送靠近拱腳處拱段混凝土時,混凝土的重量完全由鋼管拱承擔,此時鋼管拱的受力是最不利的,變形也較大,此階段須采取一定的措施來控制鋼管拱的變形。可采取拱頂壓注水箱法或使扣索參與承擔荷載以代替施工配載,這樣不僅可以調(diào)整拱肋的形狀,還可使拱內(nèi)的受力情況得到改善。

　　6) 在管內(nèi)混凝土灌筑過程中鋼管拱的內(nèi)力狀態(tài)和位移變化復雜,有必要按照施工進程進行跟蹤計算,以便與實測值進行對比,及時掌握結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài),保證施工安全。