钢管混凝土尼尔森体系拱桥施工监控方法

施一春 （宁波富邦基础设施投资有限公司，浙江 宁波 315600）

0 前言

钢管混凝土尼尔森体系拱桥与其他钢管混凝土拱桥相比，具有如下结构特点[1]：结构力学性能优良；桥梁刚度大，有良好的结构称定性；动力性能好，能提供很好的行车安全及舒适度指标；结构超载能力强；外部静定，建筑高度低，桥式美观。由于其内部为多次超静定结构，受力复杂多变，特别是施工张拉吊杆过程中，拱梁的内力和变形的不确定性将给施工带来多重困难，施工过程监控不可或缺。本文以某城市的钢管混凝土尼尔森体系拱桥为工程背景，简要介绍该类拱桥杆系有限元模型建立和施工监控方法。

1 工程简介

该钢管混凝土尼尔森体系拱桥全长132m，计算跨径128m，拱肋采用悬链线型，计算跨径112m，矢跨比1/5，拱肋采用竖向哑铃形钢管混凝土截面，截面高3.4 m，等截面布置。拱肋在横桥向内倾9。。两拱肋之间共设5道横撑，拱顶处设X型撑，拱顶至两拱脚间设4道K撑，钢管内部不填混凝土。主梁采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，宽17.8 m，梁高2.5 m；底板在3.0 m范围内上抬0.50m以减小风阻力。尼尔森体系的吊杆布置形式，每两根吊杆只交叉一次。箱式主梁采用门式支架现浇施工，钢管拱肋采用工厂分段预制、现场少支架大节段吊装施工。全桥上部结构布置见图1。

图1 上部结构侧视与俯视图（单位：cm）

2 施工监控有限元模型

2.1 有限元模型的建立

计算采用软件midas/civil2016进行建模，仿真模拟施工过程，获取阶段中控制截面的应力和变形。全桥有限元模型共划分为798个节点，56个桁架单元，372个梁单元。主梁和拱肋横撑采用普通梁单元模拟，哑铃型钢管采用联合施工截面梁单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟，所有支架均采用只受压弹簧模拟，竖向刚度定义为107N/mm。根据施工组织，施工过程共划分24个阶段。其中吊杆的张拉顺序为：2（2’）—4（4’）—6（6’）……12（12’）—3（3’）—5（5’）……13（13’）—14（14’）—1（1’）。吊杆的编号见图2。

图2 吊杆编号示意图

图3 有限元模型

2.2 建模的难点处理

施工阶段划分表表1

采用杆系有限元建模计算时，文献[2]指出计算模型与实际结构偏离的原因。实际结构中，吊杆与拱肋相交点在拱肋上缘，与主梁相交也偏离主梁轴线，因此主梁和拱肋采用梁单元建模时，吊杆上下端锚固点的空间位置按实际建模，吊杆锚固点与拱肋和主梁轴线点采用刚臂处理，以保证变形的协同。哑铃型钢管混凝土拱肋采用联合施工截面[3]，该种处理方式可以计算获取整个施工过程中（架设空钢管—灌注上下弦管混凝土和腹腔内混凝土时）各节点截面的钢管和腔室混凝土的应力和变形。

3 施工监控内容和方法

钢管混凝土尼尔森体系拱桥施工监控是以结构的受力状态和结构空间位置（线形）两项为控制指标，即为“双控”。通过精确的建模仿真计算，施工中按阶段监测主梁和拱肋控制截面应力、吊杆内力以及主梁和拱肋的变形，通过仿真模拟计算数据与实测数据对比、分析和控制，在误差允许范围内确保结构变形受力与设计相吻合。

3.1 变形监控

变形测试的主要目的是阶段性获得已形成结构的实际几何形态，包括主梁监测点变位测试、拱肋线形测量。拱肋测点选取拱脚处、拱肋的1/8（7/8）处、1/4（3/4）、3/8（5/8）处截面以及拱肋合龙前两个半拱的端部截面布设，左右榀拱圈的测点布置在拱肋外侧，共计20个测点，拱肋变形监测利用全站仪测量监测点反光片的空间坐标变化；主梁的变位监测分为落架前和落架后两个阶段：①落架前，测点设置在主梁底部贝雷梁横桥向两侧，共计16个测点，通过全站仪观测；②落架后，基准点设在主墩处的主梁上，观测截面仍为ZL-1～ZL-8，截面横桥向布置3个测点，共计24个测点，仪器采用精密水准仪。具体的位移观测点如图4。

图4 位移测点布置图

3.2 拱肋和主梁应力监控

伴随拱肋腔室混凝土的压注、吊杆的张拉，桥梁内力将不断的变化。拱肋和主梁应力监测的目的是对主体结构施工过程中受力进行测量和控制，及时了解结构的实际变化，确保内力始终处于安全范围内，成桥后拱肋和主梁的内力分布与设计状态在一定程度上达到吻合。

拱肋应力监测截面选取左右榀拱肋的拱脚、1/4处、1/2处，共计10个截面，钢弦应变计利用基座沿切向焊接在上下弦管的两侧，每个截面布置4枚。主梁的应力控制截面选取主梁的近根部、1/4处、1/2处等5个截面，每个截面布设5枚混凝土应变传感器，上缘3枚分别布置在三个箱式顶板中部，下缘2枚布置在内腹板底部。

对于测得的拱肋和主梁的应变，进行应变分离，排除非应力应变：温度的影响利用传感器自带的温度修正公式进行修正；混凝土收缩徐变的影响较为复杂，文献[3][4][5]对其作了阐述和公式推荐。

图5 应力测试断面和测试点布置图

3.3 吊杆内力监控

吊杆作为尼尔森体系拱桥的主要传力构件，在整个桥梁体系中起着关键性作用，吊杆受力是否符合设计要求关系到拱桥的耐久性和安全性。传统的索力测试法有三种：油压表直接读数、压力传感器和频谱法。本桥采用振动频谱法为主，以张拉时的油压千斤顶油表读数测量辅助。

频谱法通过安装在吊杆上的索力测试仪拾取吊杆自振频率，由内部的放大器将振动信号放大和模数转换，经频域分析后获取吊杆的频谱图，自动识别出各阶振动的固有频率[6]。频谱法测定索力时，对影响其测量精度的主要因素：吊杆的刚度、垂度、边界条件等进行参数识别，确定出索力计算公式，将实测频率代入公式求出索力。

4 结语

钢管混凝土尼尔森体系拱桥是以主梁平衡拱的水平推力，以斜吊杆为主要传力结构的无推力结构体系。有限元建模仿真计算的精确度取决于计算模型中对构件截面和边界条件的处理。合理选择变形监控点和应力监测截面，全面掌控拱桥施工状态是监控工作的基本前提。本项目施工控制所采用的计算模型、监测控制方法是可行的，可为同类桥的施工、运营监测提供参考。