下承式钢筋混凝土系杆拱桥的线形控制

刘 鹏 李涛章

（南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011）

0 引言

下承式钢筋混凝土系杆拱桥是一种梁拱组合体系结构，具有建筑高度低和地基适应能力强的优点。徐洪河1 号桥位于南水北调东线第一期工程江苏境内运西线上，主桥上部结构采用下承式钢筋混凝土系杆拱，计算跨径为75 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线。系杆采用1.8 m×1.2 m 的箱形截面，拱肋采用1.6 m×1.2 m 的工字形截面，系杆和拱肋为钢筋混凝土刚性构件；吊杆采用外径为84 mm 的OVM.GJ15-12 钢绞线成品索，吊杆为柔性构件。

主桥施工采用少支架法，起重船分段吊装，吊杆分级张拉。在各个施工阶段的多种工况下，构件都会产生变形和位移，引起应力重分布，影响系杆拱桥的运行安全。因此，系杆拱桥线形控制是实现成桥总体目标的一项关键技术。

1 影响因素及预测值

主桥支架下部采用钢管桩基础，上部采用钢管立柱；支架拆除后，结构体系发生转换，主桥呈裸拱状态。因此，基础沉降、支架变形和构件自身变形是影响主桥线形的主要因素，应对其进行科学的预测和响应。

1.1 基础沉降

支架下部采用钢管桩贝雷梁组合（如图1），钢管桩布置在拱肋湿接头的下端，每组由8 根Φ500 mm×δ8 mm 的钢管，间距1.5 m，用振动锤施打嵌入河床15 m 构成桩基础，钢管之间用［10 槽钢平联和斜撑；钢管桩顶部纵向用Ⅰ32a 工字钢联系，纵向工字钢顶部安放8 个30 cm 高的砂筒（外筒20 cm、内筒20 cm），砂筒顶部横向用Ⅰ32a 工字钢联系；横向工字钢顶部由4 榀规格为1.5 m×3 m贝雷片间距0.8 m 组成纵向贝雷梁。

钢管桩基础沉降值是确定安装高程的一个提前量，通常采用等荷载预压法消除非弹性变形，测出弹性变形值。但以中间段支架为例，每组钢管桩上部承受集中荷载为750 kN（系杆290 kN 和拱肋460 kN），贝雷梁顶面宽度仅2.4 m，作业空间不具备堆放等荷载砂袋的条件。因此，采用低荷载逐级加载观测法，绘出荷载-沉降关系线，预测满荷载时的沉降值。

图1 支架立面图

图2 荷载-沉降关系曲线

如图2，从关系曲线图观测分析：当荷载增加到300 kN 后，沉降幅度略减少，荷载-沉降关系为缓变型，无明显的拐点破坏特征。由此测算出系杆安装后，钢管桩基础沉降13 mm；预测出拱肋安装后，基础沉降累计为23 mm。

1.2 支架变形

上部支架每组由2 根Φ500 mm×δ8 mm 钢管立柱构成。因为系杆是全预应力混凝土空心箱形构件，不能作为上部支架的承重基础，所以钢管立柱安放在下部支架的横向工字钢梁上，与贝雷梁不联系。立柱顶部横向用两排Ⅰ32a 工字钢并列联系，工字钢顶面铺放中心高度为15 cm 的梯形枕木。

支架变形主要考虑钢管立柱、工字钢的弹性变形和砂筒、梯形枕木的压缩变形，以拱肋A 段支架为例。

1.2.1 钢管立柱变形

立柱采用Φ500 mm×δ8 mm 的钢管，其变形主要考虑竖向受压引起的变形，用胡克定律公式计算。钢管立柱承担的荷载为114 kN，柱高为15 m，截面积为6330 mm2，弹性模量为2.1×105MPa。

应力σ=P/A=18 MPa；

应变ε=σ/E=0.000086。

计算得变形量ΔL=L×ε=15000×0.000086=1.29 mm。

1.2.2 横向钢梁变形

立柱顶部横向采用I32a 工字钢联系，其变形主要考虑挠度变形，采用挠度公式计算。

均布线荷载q=P/L=76 kN/m；

计算得挠度fmax=5qL4/（384EI）=0.21 mm。

1.2.3 支座压缩变形

系杆下部支座采用砂筒，拱肋底部支座采用梯形枕木，其压缩变形值分别选用经验值为5 mm 和2 mm。

1.3 构件自身位移

构件包括系杆、拱肋和吊杆，其自身变形主要考虑竖向上拱下挠的位移和吊杆两端孔位的偏移，未考虑构件的温度变形、徐变等。

1.3.1 竖向位移

根据构件尺寸和材料特性，应用平面杆系程序桥梁博士（V3.0.3 版），在单幅上部结构离散144 个单元建模，划分7 个施工阶段。从仿真计算结果分析：在构件吊装、支架拆除、吊杆张拉、系杆预应力束张拉、桥面系恒载施加五个关键工况下，刚性构件变形明显，竖向位移预测结果如下：

拱肋吊装后，支架发生二次变形，系杆有下挠趋势；支架拆除后，系杆跨中下挠10.5 mm，拱肋跨中下挠8.8 mm；张拉吊杆后，系杆跨中上拱3.3 mm，拱肋跨中下挠1.3 mm；系杆预应力束张拉后，系杆跨中上拱3.7 mm，拱肋跨中上拱1.5 mm；桥面系恒载施加后，系杆四分点下挠2.9 mm，跨中下挠4.1 mm。

1.3.2 孔位偏移

吊杆线形主要由拱肋和系杆上下两个吊孔预埋钢管的平面位置决定。吊杆属柔性构件，成品索外径为84 mm，预埋钢管内径为128 mm，理论间隙为22 mm。

2 控制措施

竖向位移的控制措施有：预先抬高安装高程，设置预拱度和预抛高，千斤顶临时支撑等。孔位偏移的控制措施有：吊孔中轴线定位，起重船移位，千斤顶微调。

2.1 竖向位移

支架搭设时，考虑钢管桩基础沉降和支架变形，预先抬高安装高程。系杆底部高程利用砂筒支座高度调整，拱肋底部高程利用梯形枕木断面尺寸调整，可形成一个稳固可调的支撑体系。

吊装拱肋时，在系杆下方安放手摇式千斤顶，作为临时支撑，补偿支架二次沉降量，持续到张拉力能够平衡系杆自重时。

支架拆除时，按照从跨中向两端的顺序对称均衡进行，为抵消构件因自重而产生的下挠量，在构件预制阶段，系杆跨中设置预拱度，拱肋跨中设置预抛高。

张拉吊杆时，保持对称逐级张拉，对吊杆张拉力和构件位移实行“双控”，反复迭代优化索力，使构件弯矩和位移均达到最佳状态。

系杆预应力束张拉时，系杆有上拱趋势，考虑恒载施加时，系杆有下挠趋势，上下量值在一定程度上可自相平衡。

2.2 孔位偏移

在预制阶段，系杆立模时，吊孔预埋钢管中心应与底模轴线上标出的中心相吻合，钢管立面保持竖直。拱肋为平卧预制，吊孔预埋钢管水平度用相对高程控制，轴线位置用经纬仪标定。拆模后，及时在构件侧面弹出吊孔中轴线。

在吊装阶段，先通过平移起重船调整好构件的轴线位置，再用吊线锤检验吊孔中心或中轴线，初定立面位置，最后用观测墩上的全站仪校核各吊孔控制点坐标，通过千斤顶微调构件达到目标控制位置。就位后，及时用圆钢或槽钢在湿接头处牢固支撑，焊定搭接钢筋，防止拱肋下滑或轴线偏位。

3 过程监测

变形测量按照国家三等水准的要求，采用DS-2 水准仪和FS-1 平板测微器，变位测量采用高精度全站仪。在钢管桩顶部、横向工字钢顶部、吊孔中轴线上缘（预埋Φ16 钢筋）设置监测点，对施工过程进行跟踪实测分析。测量工作应安排在气温比较稳定的6 ∶00～8∶00 间。

3.1 构件吊装

系杆吊装后，钢管桩基础沉降12 mm，支架变形3 mm；拱肋吊装后，钢管桩基础沉降累计21 mm，支架变形累计10 mm，拱肋底缘实测高程与控制高程最大偏差为5 mm，预先抬高值与实际沉降量基本相符，参见表1。

拱肋吊装造成系杆标高下降，因为支架未进行等荷载预压，后期施加拱肋重量时，造成系杆支架发生了二次变形。故为避免系杆底部混凝土脱架开裂，采用千斤顶作临时支撑，及时补偿变形量。

3.2 支架拆除

支架拆除后，结构体系发生转换，系杆和拱肋因自重产生一定程度的下挠。系杆跨中下挠12 mm，拱肋跨中下挠8 mm。为使系杆和拱肋线形与目标控制线形相吻合，构件预制时设置预拱度和预抛高可基本上抵消下挠量值。同时监测得系杆和拱肋吊孔中心平面位置偏差值最大为7 mm，在控制范围内。

3.3 吊杆张拉

张拉吊杆后，系杆跨中上拱2.2 mm，拱肋跨中下挠1.5 mm。张拉过程中，可通过张拉力和位移进行“双控”，反复调整索力，及时修正线形。

3.4 系杆预应力束张拉

系杆预应力束张拉后，系杆跨中上拱3.5 mm，拱肋跨中上拱1.2 mm；桥面系恒载施加后，系杆四分点下挠1.5 mm，跨中下挠2.8 mm，系杆在这两种工况下的位移得到了互相平衡。

从表2 可以看出：拱肋拼装后，支架变形偏差值为1.5 mm，原因是砂桶实际压缩变形值比预测值增加，因此，应采用级配良好的中砂，用水密法振动密实，以减少变形量；支架拆除后，吊孔中心最大偏位为7 mm，原因是构件变形时，预留孔位随之发生偏位，因此，在立模时应预设孔位的侧向变形量，避免吊杆张拉时，柔性和刚性构件接触而产生附加应力；吊杆张拉后，系杆跨中上拱偏差值为1.1 mm，原因是张拉计算时，采用的成品索弹性模量理论值与实际值有偏差，张拉力先到达了目标控制值，因此，对成品索应进行试验检测，采用实测弹性模量，以精确测算出变形量。

表1 拱肋安装底缘标高

表2 实测值与预测值对比表

4 结语

（1）为满足系杆拱桥的结构特征要求，在施工过程中，需要采取多重多项控制措施，以达到设计线形目标。监测结果表明，本工程线形控制方案合理，措施得当，效果明显，成桥线形符合设计要求。

（2）在同类桥梁施工中，竖向位移宜重点控制构件预拱度，以平衡落架后构件自重引起的下挠量；平面位移宜重点控制上下孔位的同心度，保证预留孔和成品索间隙。

（3）有限元分析软件在系杆拱桥线形控制中已得到有效应用。随着测量技术和安装工艺的进步，可以采用先进的方法进行更精确地控制。如：运用三维坐标法，合理修正线形；尝试采用无支架缆索吊装法，减少支架变形的附加影响，优化目标线形。

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