钢管混凝土系杆拱桥施工分析与施工控制

陈永飞

(高邮市交通运输局，江苏 高邮 225600)

0 引言

目前钢管混凝土系杆拱桥在各项河流建设项目中应用广泛，该桥梁结构受力准、强度高、造型美观，内部结构稳定可靠，可适用于部分软弱地基，节省桥梁建设成本。但从另一个角度而言，桥梁技术含量较高，对施工要求严格，施工温度及荷载变化等都会影响桥梁最终的结构应力，并且拱肋线形成后，很难后续调整。在施工控制方面，针对桥梁的施工控制分为开环控制、反馈控制及自适应控制，其中自适应控制可通过计算分析真实反馈出桥梁施工后的实际情况，对更好施工具有指导性价值。以下就以某河流钢管混凝土系杆拱桥建设为例(见图1)，分析施工阶段变形、吊杆力、应力等数据，对吊杆成桥张拉力调索进行优化，为施工提供技术支持。

1 钢管混凝土系杆拱桥施工

1.1 三垛东桥工程

三垛东桥工程河流钢管混凝土系杆拱桥如图1所示，其建设不仅需要满足通车需求，还需要考虑美观性及桥梁审查意见，桥身为跨径90 m梁拱体系，属下承式钢管混凝土无推力拱桥，主拱桥拱肋为哑铃型钢管混凝土，轴线为二次抛物线。

图1 钢管混凝土系杆拱桥示意图

计算桥梁跨径87.5 m，矢跨比达到1/5，桥梁全宽为20.2 m，弦杆钢管φ 900 mm，板材厚度14 mm。桥梁拱肋的上下弦钢管内部灌注C40的补偿收缩自密实混凝土，拱肋及拱肋之间设置“一”字型(3道)、“K”字型(2道)桁式横撑。各个拱肋下部拱脚设刚性系梁，共设置15对吊杆，吊杆之间纵向保持5.3 m间距，吊杆为GJ15-15型拱桥专用吊杆。桥面为连续性混凝土箱梁，下部采用钻孔灌注桩构建基础，系杆拱在岸上进行拼装，浮吊整体吊装就位。选择在河岸一侧，顺河方向平整拼装场地，进行劲性骨架和钢管拱的整体拼装，完成吊杆的安装，待拼装完成后利用2台大型浮吊进行整体吊装施工；吊装完成后进行拱脚、拱肋混凝土、系杆混凝土的灌注；中横梁采用预制后浮吊安装。

1.2 以有限元模型开展施工分析

有限元模型是建筑施工方面常用的分析技术，在钢管混凝土系杆拱桥建设中落实有限元分析模型，劲性骨架、临时横梁、拱肋以及一些钢板等，都以空间梁单元模拟显示出来，拱肋、系梁吊架均采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，哑铃钢管、吊杆、系梁等位置采取节点弹性进行连接分析。最终系杆拱整体吊装有限元计算模型达到3 070个节点，共计8 524个单元。

1.3 分析结果

由相关计算结果可知，拱肋及吊挂系统最大组合应力为173 MPa，强度满足规范要求；起吊钢丝绳最大组合应力为234 MPa，强度满足规范要求；吊装阶段最大变形为50 mm，刚度满足要求。由此可见，系杆拱整体吊装过程中安全系数较高，能够保证施工质量。

2 桥梁施工控制措施及效果

2.1 具体施工控制措施

在案例工程建设中，主要采取支架方式安装施工，先设置桥面系及拱肋，二者形成之后，考虑到后续工序对施工的影响，如吊杆的张力分布、后期结构出现的不同程度变形以及混凝土出现收缩徐变情况，钢管拱肋合龙建设成形后桥梁基本定型，各种可调整的因素都已经基本固定，此时可采用预先控制和反馈控制相结合的自适应控制方式对桥梁整体施工质量加以控制。自适应控制贯穿在桥梁建设的整个周期中，但是其控制重点还是在施工前期，在施工前对此类钢管混凝土系杆拱桥所依赖的各项质量影响因素进行详细分析。

1)应控制好支架的标高，关注支架是否会出现不均匀沉降现象，通过规范施工、强化管理等多种措施，控制好系梁建模的标高误差。

2)注重保持拱肋拼装尺寸的合理性和规范性，减少尺寸方面出现的误差。实际施工及测量时要考虑到温度变化对测量数据准确性的影响。上述几项尺寸以及测量等都对钢管混凝土系杆拱桥的施工误差起到至关重要的作用。

3)实际施工中虽然误差可以得到有效控制，但是还是避免不了出现误差，出现误差是允许的，只要保证误差处于不同节段的结构线形误差精度允许范围内，就可以不对误差进行调整。若发现误差超出控制精度许可范围，则需要及时对出现误差的内容进行调整。具体调整可从控制截面的标高入手。

4)钢管混凝土系杆拱桥和传统的梁桥、斜拉桥的建设方式截然不同，其施工控制方式也有一定差异。在拱肋合龙之后，桥梁的主拱线形基本确定，无法调整，此时仅能对吊杆作轻微调整，通过对吊杆锚具的螺母丝扣调整，起到对桥面线形的整体调整。对吊杆的调整十分有限，若调整幅度过大很可能对桥梁的结构受力情况造成威胁，导致桥梁出现结构安全问题。故需要确保钢管混凝土系杆拱桥成桥线形和最初设计的线形尽可能保持一致，按照现场的测试数据以及计算机识别分析数据综合调整各个参数，各阶段的理论计算标高要保证和实际标高基本一致。

2.2 施工控制效果

2.2.1 对吊杆索力的控制效果

系杆拱桥在吊杆张拉阶段，为便于施工，减少施工难度，往往分批张拉吊杆。此时随着吊杆一次次张拉，桥梁自身结构也会发生一定变形，其系梁支承体系也会有所转换，桥梁内力重新分布。前期张拉的吊索，其索力会对后续张拉的吊杆索力造成影响，后期张拉吊杆也会对已经张拉完毕的吊杆索力有所制约，最终影响桥梁整体的力学性能，严重的会导致桥梁的内力状态和设计产生较大偏差，导致桥梁建设不满足质量标准。

为避免上述问题发生，在案例钢管混凝土系杆拱桥建设中尤其注重吊杆张拉的稳定性和协调性，通过对工程现场张拉进行检查以及对计算机数据进行分析，发现拱肋及系梁的刚度对吊杆张拉有直接影响，在一些跨中长吊杆实际张拉过程中，系梁及拱肋发生一定弹性变形，会损失后期吊杆的张拉力。桥梁拱脚位置的刚度突出，吊杆力会伴随千斤顶张拉逐渐增加。对调索来说，长吊杆的张拉会导致拱及系梁发生较大的变形损失，而短吊杆的索力也会伴随张拉变化而变化。故吊杆主动张拉力可以和成桥的恒载力联系起来，以恒载力为控制目标，对吊杆力进行调整，要求结构线形保持平顺，其索力须保持均匀分布。案例桥梁建设的吊杆经过上述处理之后，其各个吊杆索力基本均匀分布，在端部的四根吊杆索力虽然较大，但其受力较为安全，一些短吊杆的索力会受到测算方式差异影响。桥梁绝大部分吊杆索力和成桥的恒载索力相差无几，符合设计理论，桥梁建设质量满足要求。

2.2.2 吊杆索力调设完成后的成桥线形分析

案例钢管混凝土系杆拱桥在建设中其高程水准点控制遗失，故需要测试具体的吊杆位置的竖向相对挠度。测试了1～15个吊杆发生的竖向变形。在最初的设计图纸中，其要求钢管混凝土系杆拱桥建设完成之后应保证桥面无相对的竖向变形，但是建设完成后测试发现桥线形存在相对变形，产生的相对竖向变形较小，变形最低位置处于3号、14号吊杆桥面，而其他的竖向挠度则较为接近，考虑到后续测量是在桥面铺装层以上完成的，铺装层必然存在一定的凹凸不平及测量误差，故较小的相对竖向变形可以理解为建设完成后桥面线形平顺，建设后的线形和设计理论中的计算结果基本一致，符合施工设计质量标准要求。

3 结语

钢管混凝土系杆拱桥作为一种较为新颖且优势突出的新式桥梁，其未来应用价值广泛。按照案例钢管混凝土系杆拱桥建设步骤，在桥梁建设中持续开展施工，整个过程中拱肋及系梁并没有发生较大的变形，并且钢管拱肋应力水平不高，后期建设完成后吊杆安装也较为合理、安全，满足施工设计质量要求。