大节段钢筋混凝土箱型拱桥缆索吊装精细控制

(长沙城投铁路站场迁建开发有限公司,湖南 长沙 410003 )

现代化桥梁建设因其跨度大、结构复杂，所采用的施工方法种类繁多。缆索吊装施工技术作为一种经济合理、安全可靠的建桥技术，在大跨度拱桥施工中得到了非常广泛的应用。据统计，近些年来，我国大跨度拱桥采用了缆索吊装技术施工的占到大跨度拱桥总量的70%[1]。拱桥缆索吊装施工技术包括拱圈预制、缆索系统布设、拱箱吊装、拱箱合龙松扣索、拱上结构施工等，因此，该方法是一个较为庞大的系统工程。在该系统中，保证拱箱成桥后的线形和内力状态满足设计要求是施工控制的最终目标，在拱桥缆索吊装的整个施工过程中，会受到各种施工因素的影响[2]。因此，必须对整个施工过程进行有效的施工监控，确保达到合理成桥状态，同时保证施工过程和运营阶段的安全。

1 工程概况

该工程背景为钢筋混凝土箱型上承式拱桥，桥面宽为 9 m，桥跨结构为 13 m×2 简支梁桥 +110 m 上承式钢筋混凝土拱桥+4×13 m 简支梁桥。主拱圈为等截面悬链线无铰拱，净跨径110 m，拱圈横断面由 5 片拱箱组成。桥型布置及拱圈横截面图如图1、图2所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

图2 主拱圈横截面图(单位 cm)

2 缆索吊装施工监控方案

为保证拱箱成桥后的线形和内力状态满足设计要求，在施工过程中，必须对影响合理成桥状态实现的各种参数误差进行修正，进而对整个施工过程进行有效的施工控制[3]。施工控制采取以拱圈线形控制为主，应力控制为辅的原则进行，同时兼顾扣索索力和扣塔变形控制。

具体地说，施工控制过程应遵循以下几条原则：

1)线形要求。

线形包括拱箱轴线线形和桥面线形两种。施工过程中，裸拱的拱箱轴线线形应满足根据施工状态计算设置预拱度的理论值(该理论值必须充分考虑混凝土收缩徐变等因素影响)，成桥后(一般情况下是指长期变形趋于稳定后)拱箱轴线线形和桥面线形均应满足设计要求。

2)受力要求。

受力要求通常包括两个方面：一是施工过程中，对该桥施工期间的索力及应力等状态量进行有效地控制和调整，保证实际结构在施工过程中的受力和变形始终处于可控、安全及合理的范围内[4，5]；二是成桥状态，结构内力符合设计要求并且与理论期望值的误差最小。针对拱结构以受压为主的受力特点，施工过程中既要考虑结构的稳定性，同时也必须考虑材料强度要求，确保施工过程的安全。成桥状态下，拱箱主拱圈的内力既与恒载作用大小有关，又与扣索的张拉索力有关。因此，施工控制中，必须将扣索索力的大小作为关键对象加以控制，确保运营期的安全[6,7]。

3 监控理论计算模型建立

计算模型结构共细分为303处节点，组成649个单元，其中，施工扣索采用索单元，支座与临时铰接结构采用两端带刚臂的梁单元，其余单元均采用梁单元。结构边界条件均与实际一致。施工工况划分见表1。

表1 施工工况划分表工况施工状态10、17号墩柱施工2拱肋1号段拼装3拱肋2号段拼装4拱肋3号段入合龙口，拱肋合龙5长扣索落钩63#段缆索落钩7短扣索落钩8剩余拱肋安装合龙9浇筑横系梁、连接缝10底梁、拱圈整体化层施工11拱圈形成整体刚度12空工况13～40立柱及盖梁、桥面板安装及二期恒载施工

3.1 拱肋1号节段吊装计算结果

1号节段吊装完成后，拱肋应力计算结果如图3、图4所示。

图3 1号节段吊装工况拱肋上翼缘应力

图4 1号节段吊装工况拱肋下翼缘应力

由拱肋应力计算结果可知，拱肋1号节段吊装过程中，拱肋下翼缘出现的压应力极值为0.97 MPa，出现的拉应力极值为1.55 MPa；吊装过程中，拱肋上下翼缘的拉应力极值(短暂持荷)均小于混凝土的标准抗拉强度2.65 MPa，符合规范要求。

3.2 拱肋2号节段吊装

2号节段吊装完成后，拱肋应力计算结果如图5、图6所示。

图5 吊装2号段工况拱肋上翼缘应力

图6 吊装2号段工况拱肋下翼缘应力

由以上拱肋应力计算结果可知，拱肋2号节段吊装过程中，上翼缘出现的压应力极值为3.29 MPa，拉应力极值为1.80 MPa(1号扣索挂钩处)；下翼缘出现的压应力极值为3.32 MPa，拉应力极值为1.34 MPa；吊装过程中，拱肋上下翼缘拉应力极值(短暂持荷)均小于混凝土的标准抗拉强度2.65 MPa，符合规范要求。

3.3 单条拱肋(中箱)合龙

单条拱肋合龙后(扣索与缆索皆松钩)，拱肋应力计算结果如图7、图8所示。

图7 单条拱肋合龙后拱肋上翼缘应力

图8 单条拱肋合龙后拱肋下翼缘应力

由拱肋应力计算结果可知，拱圈合龙后，拱肋上翼缘出现的压应力极值为3.64 MPa，无拉应力；拱肋下翼缘出现的压应力极值3.11 MPa，无拉应力；拱肋出现的剪应力极值为0.12 MPa，轴向压应力极值为3.04 MPa。

拱肋边箱吊装至拱圈合龙阶段拱肋内应力状态与上述分析基本一致，此处不再一一罗列。

3.4 成桥阶段短期效应混凝土拱肋应力包络图

正常使用极限状态下的短期效应与长期效应分别进行作用效应组合[8]，取其最不利效应进行分析。

混凝土拱肋在短期效应作用下的应力包络图如图9、图10。

图9 短期组合效应上翼缘应力包络图

图10 短期组合效应下翼缘应力包络图

由图9、图10应力包络图可知，在最不利短期组合效应下，拱肋轴向应力未出现拉应力，出现的压应力极值为7.95 MPa;上翼缘出现的压应力极值为8.96 MPa，压应力最小值为2.49 MPa，未出现拉应力；下翼缘出现的压应力极值为13.31 MPa，压应力最小值为3.35 MPa，未出现拉应力。

3.5 长期效应混凝土拱肋应力

混凝土拱肋在长期效应作用下的应力包络图如图11、图12。

图11 长期组合效应上翼缘应力包络图

图12 长期组合效应下翼缘应力包络图

由图11、图12应力包络图可知：在最不利长期组合效应下，拱肋轴向应力未出现拉应力，出现的压应力极值为7.97 MPa；上翼缘出现的压应力极值为9.08 MPa，压应力最小值为2.36 MPa，未出现拉应力；下翼缘出现的压应力极值为13.48 MPa，最小压应力为3.42 MPa，未出现拉应力。

3.6 施工预拱度

拱箱在收缩徐变等荷载作用下会产生一定的下挠，因此需在拱箱施工过程中预先抬高一定的量来抵消结构下挠，设置的预抬高值即称为施工预拱度。

根据拱桥吊装施工特点，计算模型必须从拱圈形成刚度后方可计入拱箱累计变形量。

对本桥施工过程进行数值模拟计算，在考虑恒载、收缩徐变荷载以及1/2活载情况下，拱顶需设置的预抬高值约为91.3 mm，其他位置数值亦可根据图13确定。

图13 拱箱预拱度布置图

4 现场监控测点布置

根据拱圈长度及现场具备的实施条件，测点均布置在每段拱箱端头腹板位置。

5 拱箱合龙线形施工监控成果

根据监控数据显示，拱箱高程最大误差出现在南岸第2条中箱的合拢段，其高程误差绝对值控制在29 mm以内，满足设计及规范要求。

拱箱轴线最大误差出现在南岸边箱的第1段，误差最大值为18 mm，满足设计及规范要求。

6 结语

通过对大节段钢筋混凝土箱型拱桥缆索吊装过程的细致分析及控制，结构成桥状态各项指标均满足设计及规范要求。本项目施工监控工作自拱箱预制阶段开始，吊装全过程中始终密切关注拱肋拼装线形的变化及影响，整个施工监控思路值得参考。

[1] 陈宝春.拱桥技术的回顾与展望[J].福州大学学报 (自然科学版)，2009，37(1)：903-105．

[2] 蔡灿,杨昌盛,徐贵.缆索吊装在甘河沟大桥施工中应用分析[J].价值工程，2017(30) ：136-137.

[3] 陈得良,缪莉,田仲初,等.大跨度桥梁拱肋悬拼时扣索索力和预抬量计算 [J].工程力学，2007(5) ：134-13.

[4] 鲍虹秀，宋久俊.拱桥缆索吊装施工技术[J].技术与市场，2011(12) ．

[5] 刘晓燕.缆索吊装在高速公路箱形拱桥中的应用[J].城市建筑，2013(18) ．

[6] 戴森.大跨度拱桥安装扣挂系统结构分析[D].南京：河海大学，2006.

[7] 王洁.大跨径钢管砼拱桥拱肋吊装施工技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[8] JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[9] 蔡裕民.吊装工艺计算近似公式及应用[M].北京：北京工业出版社，2004．