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(shí)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(duì)監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行分析,并對(duì)施工中需注意的事項(xiàng)提出幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞:鋼管混凝土　拱橋　施工控制

中圖分類號(hào):U448122 + 4 　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

　工程概況

　　倮裹大橋主橋?yàn)?0 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(jiàn)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(guò)程大致可分為四個(gè)階段: ①鋼管拱肋制作; ②架設(shè)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(shí)才能充分體現(xiàn)出其優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)拱軸線雖是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員精心計(jì)算確定的,但施工中由于多種不確定因素的影響,難免與設(shè)計(jì)間存在誤差,特別是拱肋的施工方法,往往會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)復(fù)雜的內(nèi)力和位移的變化,對(duì)倮裹大橋進(jìn)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(shè)計(jì)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(diǎn),在施工過(guò)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(yīng)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(diǎn)有所不同:

　　1) 鋼管拱肋架設(shè)階段　由于鋼管拱肋一經(jīng)合龍,在此后的施工過(guò)程中無(wú)法再進(jìn)行大的調(diào)整,或者說(shuō)調(diào)整的余地非常有限,因此,本階段的控制重點(diǎn)是對(duì)鋼管拱肋的軸線和標(biāo)高進(jìn)行控制,即以線形控制為主,應(yīng)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(jìn)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(gè)澆筑過(guò)程中拱肋截面的應(yīng)力和變形都在變化,該階段以應(yīng)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(duì)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(huì)有大的問(wèn)題,因此,該階段的控制重點(diǎn)是橋面的線形控制。

2．3 　施工控制的具體任務(wù)

　　結(jié)合鋼管混凝土拱橋的施工特點(diǎn),本橋施工控制的重點(diǎn)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(yīng)力監(jiān)測(cè); ③各施工階段的標(biāo)高控制; ④施工各階段的應(yīng)力控制。

3 　施工控制的方法與手段

　　對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制主要是利用有限元程序?qū)κ┕み^(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,得出理論計(jì)算值,再與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)作出合理的判斷,如有問(wèn)題及時(shí)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施。應(yīng)力、應(yīng)變的實(shí)測(cè)主要利用鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行。

　　對(duì)標(biāo)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(jìn)行雙前測(cè)邊前方交會(huì)測(cè)量,并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次平差,從而最大限度地排除各種隨機(jī)因素產(chǎn)生的誤差。軸線的調(diào)整采用橫向側(cè)纜風(fēng)進(jìn)行,一般用手動(dòng)葫蘆收放側(cè)纜風(fēng)進(jìn)行人工調(diào)整即可;標(biāo)高調(diào)整通過(guò)收放扣索實(shí)現(xiàn),即張拉扣索力或放松扣索使其由扣點(diǎn)至張拉處的長(zhǎng)度縮短或加長(zhǎng),從而使拱段控制點(diǎn)的標(biāo)高有所升降。

3．1 　施工過(guò)程的模擬計(jì)算

　　該橋施工前應(yīng)用有限元程序?qū)炷凉嘀^(guò)程進(jìn)行了內(nèi)力、位移計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算?？紤]到本橋?yàn)榈湫偷臈U系結(jié)構(gòu),且墩臺(tái)有足夠大的剛度,計(jì)算時(shí)采用平面梁?jiǎn)卧垂潭ü敖⒛Ｐ汀Ｈ珮蚬矂澐譃?4 個(gè)單元,95 個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

　　穩(wěn)定性驗(yàn)算表明,各階段的彈性屈曲系數(shù)均> 16 ,遠(yuǎn)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(guò)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(cè)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(cè)誤差不至于掩蓋結(jié)構(gòu)的真實(shí)變形。據(jù)此,建立二等精度控制網(wǎng),由于原有高級(jí)控制點(diǎn)有一部分不能適應(yīng)施工控制和變形觀測(cè)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(diǎn),使之組成一個(gè)四邊形二等三角網(wǎng)。

3．3 　監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

3．3．1 　鋼管應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

　　應(yīng)力狀況監(jiān)測(cè)的目的主要是觀測(cè)鋼管拱在各個(gè)施工加載階段的應(yīng)力變化情況,以便與理論計(jì)算值進(jìn)行比較,對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)作出合理的判斷,如有問(wèn)題及時(shí)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施。由有限元仿真計(jì)算的結(jié)果可知,最不利截面位置基本對(duì)應(yīng)于拱腳、LP4、拱頂截面,故應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置設(shè)在拱腳、LP4、拱頂三截面處,每個(gè)截面均在上管的頂面及下管的底面,布置鋼弦式表面應(yīng)變計(jì),測(cè)試鋼管拱的應(yīng)力應(yīng)變情況。

　　在監(jiān)控的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),拱腳截面處是主要的施工作業(yè)面,要進(jìn)行多種作業(yè),最后還要封閉,應(yīng)變計(jì)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(cè)點(diǎn)布置時(shí)向跨中方向移半個(gè)節(jié)間,即布置在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間,以避開(kāi)各種施工影響。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)位置與應(yīng)力最不利位置的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,結(jié)果表明測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力值雖略小于最不利截面的應(yīng)力值,但相差不大,可忽略不計(jì)。

3．3．2 　標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)布置

　　標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在靠近每個(gè)主拱分段接頭處和拱頂處,在鋼管拱肋的各測(cè)點(diǎn)處焊固基座,安裝觀測(cè)三棱鏡進(jìn)行觀測(cè)。此方案不僅能進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)觀測(cè),還能反映整個(gè)鋼管拱的整體變形。

4 　觀測(cè)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(yù)拱度) 及軸線的設(shè)計(jì)值及其在合龍時(shí)和焊完并放松纜吊后的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

5 　結(jié)語(yǔ)

　　1) 由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,合龍時(shí)的拱頂高程、軸線雖經(jīng)反復(fù)調(diào)整,但結(jié)果與設(shè)計(jì)值仍有一定的偏差,主要原因是鋼管拱加工歷時(shí)長(zhǎng),加工時(shí)的環(huán)境溫度與安裝和合龍時(shí)相比相差很大,而鋼結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化又十分敏感,導(dǎo)致鋼管拱軸線變化很大。因此,在鋼管拱肋制作時(shí)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(shí)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(shí)計(jì)入。

　　2) 為切實(shí)保證鋼拱肋合龍后的軸線、高程符合設(shè)計(jì)要求,在制作拱肋合龍段(本橋?yàn)橹卸? 時(shí),可按設(shè)計(jì)要求設(shè)置嵌填段,其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為15 cm ,即制作時(shí)合龍段的長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)長(zhǎng)度略長(zhǎng)。

　　3) 拱頂高程、軸線在合龍時(shí)的實(shí)測(cè)值與焊完松纜吊后的實(shí)測(cè)值相比變化較大,主要是因?yàn)楹附訒r(shí)間過(guò)長(zhǎng)(長(zhǎng)達(dá)1 個(gè)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(shí)施焊固結(jié),盡量縮短焊固時(shí)間,迅速合龍,并在焊接時(shí)注意對(duì)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(yīng)力,接頭焊縫采用機(jī)械錘擊。

　　4) 在拱肋安裝過(guò)程中,考慮扣索彈性伸長(zhǎng)設(shè)置拱肋節(jié)段的預(yù)抬高量,并推算后續(xù)安裝節(jié)段控制點(diǎn)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?xí)r,混凝土的重量完全由鋼管拱承擔(dān),此時(shí)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(lái)控制鋼管拱的變形?？刹扇」绊攭鹤⑺浞ɑ蚴箍鬯鲄⑴c承擔(dān)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(guò)程中鋼管拱的內(nèi)力狀態(tài)和位移變化復(fù)雜,有必要按照施工進(jìn)程進(jìn)行跟蹤計(jì)算,以便與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài),保證施工安全。