鋼管混凝土拱橋無應(yīng)力狀態(tài)施工控制技術(shù)

沈立中 張?zhí)餃?/p>

摘? ? 要：鋼管混凝土系桿拱屬于無推力結(jié)構(gòu)，有明確的傳力路徑，是一種自架設(shè)結(jié)構(gòu)體系，但結(jié)構(gòu)施工過程相對(duì)較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)形成過程中拱肋分段線形、橋面線形及吊桿索力是其主要的控制目標(biāo)，而常規(guī)采用倒裝分析、正裝分析、正倒裝交互迭代的控制方法實(shí)現(xiàn)成橋理想狀態(tài)，但分析及實(shí)施過程較為繁雜。本文以飛云江大橋?yàn)槔?，采用無應(yīng)力狀態(tài)法施工控制原理，對(duì)鋼管混凝土系桿拱合理成橋狀態(tài)下的拱肋、吊桿進(jìn)行無應(yīng)力長度計(jì)算，并應(yīng)用于拱肋及吊桿安裝控制等施工流程，使結(jié)構(gòu)施工控制更加明了清晰，大大減少計(jì)算及施工工作量。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土系桿拱;施工控制;無應(yīng)力狀態(tài)法;橋梁線形;無應(yīng)力長度

1? 引言

鋼管混凝土拱橋的施工控制主要是指在施工過程中對(duì)結(jié)構(gòu)的安全和主要構(gòu)件（拱肋、吊桿、系梁等）的內(nèi)力、線形控制[1]。根據(jù)正常施工工序拱肋最早形成，裸拱形成后拱軸線基本確定且不易調(diào)整，因此裸拱線形是拱橋施工控制過程中的關(guān)鍵因素之一，其次是對(duì)吊桿內(nèi)力及橋面線形的控制。

無應(yīng)力狀態(tài)法的核心原理[2]：橋梁結(jié)構(gòu)只要確定最終成橋無應(yīng)力狀態(tài)量（無應(yīng)力長度和曲率）、外部荷載及邊界條件，則最終成橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的形成過程無關(guān)。（即保證結(jié)構(gòu)成形過程中所有構(gòu)件都能實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力安裝，則最終成橋的線形與內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求一致）。該原理較多的應(yīng)用于斜拉橋，近年來逐步擴(kuò)展至拱橋結(jié)構(gòu)中，不過應(yīng)用于鋼管混凝土系桿拱橋中的文獻(xiàn)較少[3]。本文以飛云江大橋?yàn)楸尘?，建立?shù)值仿真模型，研究無應(yīng)力線形、吊（系）桿初始張拉力及無應(yīng)力長度，為此類橋梁施工控制提供依據(jù)。

2? 工程概況

飛云江大橋主橋全長100m，寬12m，公路等級(jí)為高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h。采用鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，拱軸線為二次拋物線，拋物線方程為y=（4/5-2x/245）×x，矢跨比為1/5，矢高19.6m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，截面高240cm。

全橋四道K型風(fēng)撐，風(fēng)撐采用圓形鋼管。共設(shè)18對(duì)吊桿，吊桿采用19Φs15.2mm鋼絞線（Strand1860）制作。

3? 鋼管混凝土拱橋無應(yīng)力長度的確定

3.1? 拱肋的無應(yīng)力長度

鋼管混凝土拱橋拱肋作為結(jié)構(gòu)重要組成部分，其成型后線形能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，基本說明建設(shè)已成功一半。拱肋架設(shè)的重要控制指標(biāo)就是確實(shí)理論線形，并以此保障拱肋加工尺寸的合理、準(zhǔn)確。

影響拱肋線形的主要因素主要有溫度、節(jié)段間焊縫收縮、外荷載三方面[4]。根據(jù)無應(yīng)力狀態(tài)法原理，環(huán)境溫度作為臨時(shí)荷載雖會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力、幾何長度的變化，但不會(huì)引起構(gòu)件無應(yīng)力長度變化，因此只要確保安裝時(shí)環(huán)境穩(wěn)定恒定即可;焊縫收縮屬于材料固有特性所產(chǎn)生的影響，與混凝土收縮徐變性質(zhì)相同，一般在工廠預(yù)制時(shí)消除該影響;外荷載影響指在外荷載作用下拱肋將產(chǎn)生的變形，根據(jù)無應(yīng)力狀態(tài)法，只需計(jì)算拱肋成型后外荷載作用下的變形量，在設(shè)計(jì)線形基礎(chǔ)上進(jìn)行反向疊加即可，即預(yù)拱度設(shè)置。

對(duì)于鋼管混凝土系桿拱而言，拱肋外荷載變形量主要有以下幾方面：（1）裸拱自身重量引起的變形量Δ1;（2）管內(nèi)混凝土澆筑引起的變形量Δ2;（3）其他恒載（吊桿、系梁、橋面板、橋面鋪裝等）引起的變形量Δ3;（4）混凝土收縮徐變引起的變形量Δ4;（5）一半設(shè)計(jì)活載引起的變形量Δ5。將上述變形量進(jìn)行疊加形成總變形量s。

本橋依上述步驟對(duì)飛云江大橋橋跨1/8、1/4、1/2處拱肋進(jìn)行計(jì)算求得變形量見表1。

本節(jié)分析了拱肋無應(yīng)力長度的影響因素，通過分階段模擬施工階段外荷載作用下的拱肋變形量，并以此作為預(yù)拱度有效指導(dǎo)工廠制作。

3.2? 吊桿的無應(yīng)力長度

準(zhǔn)確計(jì)算鋼管混凝土系桿拱成橋狀態(tài)下吊桿的目標(biāo)無應(yīng)力長度，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形有至關(guān)重要的影響。鋼管混凝土系桿拱吊桿長度不大，可以不考慮非線性效應(yīng)的影響，因此通過受載前后吊桿兩端位置變化來計(jì)算吊桿長度變化量。

通過上述計(jì)算并以橋面位移控制法可獲得恒載作用下吊桿的無應(yīng)力長度，同時(shí)應(yīng)考慮計(jì)入混凝土收縮徐變及活載影響后對(duì)無應(yīng)力長度進(jìn)行修正，確定最終合理成橋狀態(tài)的吊桿目標(biāo)無應(yīng)力長度。

混凝土收縮徐變主要在成橋十年內(nèi)完成，通過midas軟件模擬后拱肋及橋面系位移如圖4所示。

通過上圖可知在混凝土收縮徐變作用下拱肋和橋面均有不同程度的變形，以恒載作用下的吊桿無應(yīng)力長度為初始值進(jìn)行迭代分析，以橋面位移量接近零為目標(biāo)，確定吊桿無應(yīng)力長度修正值。

通過midas軟件模擬后拱肋及橋面系活載效應(yīng)下位移如圖5所示。

活載效應(yīng)下的無應(yīng)力長度修正方式與收縮徐變修正方法相同，主要通過計(jì)算1/2活載效應(yīng)下橋面各控制節(jié)點(diǎn)的位移值，并反向設(shè)置成預(yù)拱度，更新橋面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)提取施工階段混凝土收縮需百年下的桿件內(nèi)力及位移信息，得到活載影響下的吊桿無應(yīng)力修正值，即吊桿目標(biāo)無應(yīng)力長度。

確定目標(biāo)無應(yīng)力長度后即可確定橋面系的最終預(yù)拱度，并以此更新橋面坐標(biāo)，同時(shí)在施工階段施加恒載中刪去吊桿初拉力荷載進(jìn)行計(jì)算分析，檢驗(yàn)橋面在收縮徐變及活載效應(yīng)下的總位移值是否回落至設(shè)計(jì)線。

參照上述方法，通過合理調(diào)整全橋位移即可避免因吊桿間相互影響導(dǎo)致吊桿張拉力反復(fù)調(diào)整的麻煩，施工過程中只需要根據(jù)實(shí)際需要分階段控制吊桿的拔出量或回縮量即可，最終成橋階段張拉至目標(biāo)無應(yīng)力長度即能確保成橋狀態(tài)下的位移及內(nèi)力符合預(yù)期。

4? 成橋狀態(tài)橋梁實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1? 成橋狀態(tài)實(shí)際吊桿內(nèi)力值

通過上表可知，在無應(yīng)力控制法下吊桿內(nèi)力相對(duì)誤差控制在±5%以內(nèi)，滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

4.2? 成橋狀態(tài)實(shí)際橋面線形

通過上表可知，橋面實(shí)際標(biāo)高與理論標(biāo)高誤差在±20mm以內(nèi)，符合規(guī)范要求。

5? 結(jié)論

本文以飛云江大橋?yàn)楸尘埃ㄟ^無應(yīng)力狀態(tài)法控制原理對(duì)全橋施工過程進(jìn)行分析及控制，取得成果有：

（1）分析了拱肋無應(yīng)力長度的影響因素，通過分階段模擬施工階段外荷載作用下的拱肋變形量，并以此作為預(yù)拱度有效指導(dǎo)工廠制作。

（2）應(yīng)用無應(yīng)力狀態(tài)法，通過橋面位移控制，合理確定橋面預(yù)拱度及吊桿無應(yīng)力長度。施工過程中根據(jù)實(shí)際需要分階段控制吊桿的拔出量或回縮量，最終成橋階段張拉至目標(biāo)無應(yīng)力長度即能確保成橋狀態(tài)下的位移及內(nèi)力符合預(yù)期。

（3）通過飛云江大橋成橋?qū)崪y(cè)結(jié)果及理論進(jìn)行對(duì)比分析，各指標(biāo)誤差均在可控范圍內(nèi)，無應(yīng)力狀態(tài)法可應(yīng)用于鋼管混凝土系桿拱施工控制中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周水興，張永水，顧安邦等.大跨鋼管砼拱橋施工控制的理論與實(shí)踐[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（B11）：12～16.

[2] 秦順全.橋梁施工控制——無應(yīng)力狀態(tài)法理論與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3] 陳亮，岳青.系桿拱橋吊桿張拉施工控制方法[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2011（1）：64～67

[4] 肖銳，宮金明.鋼管混凝土拱橋預(yù)拱度的設(shè)置方法及影響因素[J].山西建筑，2010（5）：316～317.