广大铁路80 m跨度系杆拱桥线形控制技术

席红星

（中铁十七局集团有限公司，太原 030006）

刚性系杆拱桥相当于在简支梁上增设加强拱，梁和拱在端部刚性连接，其间布置吊杆，属于外部静定、内部超静定结构[1-2]。现浇刚性系杆拱桥通常采用满堂支架现浇、先梁后拱施工方法[3]。系杆拱桥的主拱圈和系梁支架搭设、预拱度设置，以及支架拆除顺序、梁拱受力体系转换等直接影响梁拱挠度。同时，施工过程中的各种因素会导致桥梁最终成桥线形及内力与设计要求出现偏差。因此，在大跨度预应力混凝土系杆拱桥施工过程中，线形控制是极其重要的内容[4]。本文以广大铁路80 m跨度系杆拱桥施工为例，采用MIDAS/Civil软件对该桥进行了全施工节段仿真分析，得到各施工阶段理论变形值，通过设置合理的预拱度对全桥施工过程中的线形进行控制，保证了成桥线形满足规范要求。

1 工程概况

云南广大铁路跨城市主干道关凤大道大桥，长262.26 m，桥跨结构为（32+80+4×32）m，主跨采用80 m系杆拱跨越关凤大道，理论矢高16 m。系梁为单箱三室预应力混凝土结构，梁端高3.3 m，跨中高2.8 m。跨中梁宽11.6 m，梁端加宽至12.5 m。建成后桥下净空5.77 m。拱肋为钢筋混凝土结构，箱形截面，尺寸为2.3 m（高）×1.2 m（宽）。两肋之间设3根钢筋混凝土横撑与拱肋连接，箱形截面，尺寸为1.9 m（高）×0.8 m（宽），与拱肋交接处采用折线过渡。全桥共设11对吊杆，间距为6.0 m，采用OVM.GJ15‐31钢绞线整束挤压拉索体系吊杆（带测力传感器），外套采用HDPE护套。系杆拱桥位于-1.2%纵坡上。

2 系杆拱桥线形控制

2.1 施工工艺及流程

系杆拱桥采用先梁后拱原位现浇施工。主要施工工艺及流程包括：①系杆拱两端桥墩施工完毕后搭设系梁支架，采用钢管支柱结合工字钢支架，现浇混凝土前对支架进行预压，预压荷载不小于系杆拱自重及梁上支架重量的120%，以消除非弹性变形。浇筑系梁底板、腹板、顶板及拱肋拱脚部分混凝土。②在梁顶采用碗扣式多功能钢管满膛支架，浇筑拱肋混凝土前对支架进行预压，预压荷载不小于拱肋自重的120%，以消除非弹性变形。浇筑拱肋及横撑混凝土。拱顶部设置1 m合龙段，待其他部位混凝土强度达到90%且龄期不少于15 d时，再采用微膨胀混凝土浇筑合龙段。③拆除梁上拱肋支架，按顺序依次张拉吊杆。④吊杆张拉完成后拆除系梁支架，进行二期铺装。

2.2 线形控制的方法及原理

监控桥梁线形时，首先计算施工预拱度和设计预拱度，然后根据计算结果作出设计线形、成桥线形、施工期预拱度线形。施工过程中对标高、内力进行监控，并与模拟计算值对比。对桥梁结构的主要参数进行识别，找出产生偏差的因素，从而对参数进行修正。桥梁理论线形见图1。图中：1为拱肋设计线形，2为拱肋成桥线形，3为拱肋施工期线形；a为系梁设计线形，b为系梁成桥线形，c为系梁施工期线形。

图1 桥梁理论线形

2.3 预拱度计算

采用MIDAS/Civil软件模拟实际施工阶段，对混凝土自重、混凝土收缩徐变，预应力张拉荷载作用下拱肋、系梁挠度进行计算。

1）施工预拱度。该值为桥梁二期铺装完成后结构的累积变形值，方向向上。考虑短期弹性挠度和已经发生的混凝土收缩徐变，可以得到梁体各施工阶段拱肋、系梁施工预拱度计算表达式，即

式中：f施为施工预拱度；∑f1i为混凝土自重作用对系梁、拱肋产生的挠度；∑f2i为预应力作用对系梁、拱肋产生的挠度；∑f3i为吊杆力对系梁、拱肋产生的挠度；∑f4i为施工过程中收缩徐变对系梁、拱肋产生的挠度，本桥按合龙后5年收缩徐变考虑；∑f5i为施工阶段临时荷载对系梁、拱肋产生的挠度；∑f6i为体系转换后二期荷载作用对系梁、拱肋产生的挠度。

2）设计预拱度。主要考虑列车荷载和后期的收缩徐变作用（收缩徐变效应考虑5年），其表达式为

式中：f设为设计预拱度；h1i为收缩徐变值；h2i为活载作用下主梁挠度。

根据有限元模型划分拱肋、系梁线形控制节点位置，见图2。

图2 拱肋、系梁控制节点位置（单位：dm）

设计预拱度是桥梁在正常运营过程中受力安全的基本保证，施工预拱度是成桥线形控制的关键。为了抵消桥梁在施工及运营过程中产生的下挠，需要设置设计预拱度和施工预拱度。根据拱肋、系梁控制节点位置，通过有限元仿真模拟，计算得到拱肋、系梁施工预拱度和设计预拱度，见图3。可知：设计预拱度大于5年收缩徐变值和1/2列车静活载产生的变形值；施工预拱度为各控制点成桥累积挠度与设计预拱度之和，最大位置发生在拱肋与系梁的跨中，其余控制节点基本按线性变化控制。

图3 拱肋和系梁挠度及预拱度

2.4 立模标高计算与控制

在系杆拱桥原位支架混凝土浇筑过程中，立模标高合理与否决定了成桥线形是否平顺、是否符合设计要求。控制点立模标高H立计算公式为

式中：h设为控制点设计标高；h支为支架预压变形、地基变形值。

根据式（3）和图2计算控制点标高。由于该桥位于线路-1.2%纵坡上，须考虑线路纵坡对立模标高的影响。控制点之间的立模标高通过线性内插方式得到。

施工过程中，通过支架顶木楔调整控制系梁的底模标高；通过箱梁侧模高度控制顶面标高；通过在钢管架顶口安装50 cm长的可调式顶托调整拱肋的底模标高；通过拱肋侧模高度控制顶面标高，较好地保证了成桥线形。

2.5 拱肋及桥面挠度监控

2.5.1 测点布置

拱肋及桥面挠度测量数据是桥梁线形控制的最主要依据。为了测量每个施工阶段拱圈及桥面的挠度变化情况，在拱肋、系梁上起拱点及L/8，L/4，3L/8，L/2（L为跨度）位置对称设置线形监测控制断面，在每个监控断面上设置监控测量点（图4）。

拱肋监控测量点布设：在每榀拱肋的拱轴线上粘贴全站仪反光片，记为测点①和测点②。系梁监控测量桩布设：在每个控制断面的两边及中间预埋ϕ20长30 cm的短钢筋作为高程监控测量桩，短钢筋测量桩与相应位置的主筋点焊接牢固，上端高出混凝土面10 cm，用红油漆标记，记为测点1—测点3。

图4 线形测点布置

2.5.2 测量结果分析

1）工况1（拱肋支架拆除）。系杆拱桥拱肋与梁刚性联接，其支架拆除顺序对结构安全、竖向变形影响较大。拱肋常用支架拆除方案有2种：①从拱顶往拱脚逐步对称拆除支架；②从拱脚往拱顶逐步对称拆除支架。根据有限元模拟结果可知，方案①中拱顶最大挠度及拱脚最大拉应力、最大压应力均比方案②小，故采用方案①顺序拆除支架。经现场实测并对监控数据统计分析，拆除拱肋支架后拱顶最大挠度为5.8 mm。

2）工况2（第1次张拉吊杆）。吊杆分2次张拉，拱肋满膛支架拆除后，按设计张拉顺序对吊杆进行第1次张拉，张拉力控制值为700 kN。此时系梁支架没有拆除，系梁标高没有抬升，拱肋变形较小，对系梁及拱肋线形影响不大。

3）工况3（系梁支架拆除）。系梁采用钢管结合工字钢支架完成现浇施工，其竖向挠度在支架拆除前后变化较大。支架从跨中往两边对称拆除方案最优。实测系梁支架拆除后竖向最大挠度发生在跨中，为17.5 mm；拱肋竖向最大挠度发生在拱顶，为13.8 mm。

4）工况4（第2次张拉吊杆）。根据设计张拉顺序和索力第2次张拉吊杆，测量拱肋、系梁控制截面前后标高，拱肋跨中最大挠度9.91 mm，系梁跨中最大挠度15.24 mm。

5）工况5（二期铺装完成）。拱肋最大挠度发生在二期荷载铺装完成的成桥阶段。成桥后拱肋挠度见表1。可知：L/8，L/4，L/2拱肋处挠度分别为-6.45，-13.45，-18.36 mm；实测值与设计值的最大差值为 4.016 mm，则 4.016/80 000=1/4 357，满足TB 10203—2002《铁路桥涵施工规范》[5]中拱轴偏离不得大于计算跨度的1/1000且不大于30 mm的要求。

二期荷载铺装完成后，系梁挠度见表2。现浇系梁时梁底标高已考虑了设计预拱度及施工预拱度参数。二期恒载后，通过吊杆索力调整及作用，挠度实测值与理论值的最大差值为4.889 mm，满足TB 10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》[6]中系梁实测数据与设计误差小于±10 mm限值要求。

表1 二期荷载下拱肋挠度

表2 二期荷载下系梁挠度

综上，通过有效控制拱肋及系梁各控制点的挠度，在5种工况下成桥线形均符合设计要求。

3 结语

采用倒推分析方法对主拱圈和系梁支架搭设、预拱度设置、立模标高控制、支架拆除顺序比选、吊杆张拉、梁拱受力体系转换等关键工序进行有限元模拟，得出每步数据控制目标，并经过施工过程有效控制，最终拱肋、系梁最大挠度小于设计要求，确保了成桥线形，对同类型桥梁工程线形控制有一定借鉴作用。