浅析某钢管混凝土桁架拱桥施工监控技术

浅析某钢管混凝土桁架拱桥施工监控技术
摘要: 结合某桥对钢管混凝土桁架拱桥监控技术进行探讨，详细介绍了监控目标、监控原则、施工控制计算等内容，为类似桥梁施工监测提供参考。

关键词: 钢管混凝土桁架拱；监控目标；监控原则；施工控制计算
中图分类号:U448 文献标识码:A
1 前言
钢管混凝土拱桥属于钢——混凝土组合结构中的一种。

钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。

同时钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用，同时可作为施工模板，方便混凝土浇筑，施工过程中，钢管可作为劲性承重骨架，其焊接工作简单，吊装重量轻，从而能简化施工工艺，缩短施工工期。

在施工中应加强监控，采取如下的控制策略:全桥控制截面应力和主梁挠度应在施工过程中实时监测并反馈整个施工过程中以主梁标高作为主要控制指标即以标高控制为主应力为辅保证全桥控制截面应力在安全范围内确保成桥线形和设计线形相一致施工过程中主梁标高和线形的控制主要通过混凝土浇筑前立模标高的调整来实现。

在施工中如发现全桥应力接近或超出安全控制指标或主梁线形误差偏大则应暂停施工查明原因及时纠正以尽。

2 工程概况
该桥桥跨布置为3×30+4×30+4×30+15×25.2（主跨360m）+3×30m，共分为5联，桥梁全长为804.5m。

其中主桥为跨径360m的上承式钢管混凝土桁架拱桥（图2. 1），主桥桥面系采用跨径15×25.2m的钢混组合梁；引桥采用预应力混凝土T梁，先简支后桥面连续或先简支后结构连续。

主桥采用跨径360m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱，拱轴线采用悬链线，拱轴线系数m=1.3，矢高h=69m，矢跨比f=1/5.217。

图2. 1大桥主桥立面布置图
主拱圈采用等宽度变高度空间桁架结构，断面高度从拱顶5m变化到拱脚10m(中到中)。

单片拱肋宽度3.5m（中到中），横桥向两片拱肋间的中心距拱脚和拱顶处均为12m，肋间设置横联和米撑。

上、下弦拱肋均采用变截面钢管，钢管拱肋对接接头采用内法兰盘栓接、管外焊接的形式进行连接。

管内灌注C55自密实微膨胀混凝土。

两片拱肋间米撑在立柱处设置，其平联采用ф700×16 mm 或ф500×16 mm钢管，竖撑采用ф400×16 mm钢管。

上、下弦钢管横联采用ф600×16mm钢管，斜撑采用ф400×16 mm钢管。

腹杆采用□600×600×16 mm、
□600×400×16 mm和Ⅰ600×400mm的型钢，连接处渐变为Ⅰ600×600mm或Ⅰ600×400mm工字钢。

在拱脚处与铰相连的两斜腹杆及销轴钢管内需灌注混凝土。

拱上立柱采用排架式空心矩形薄壁截面钢箱结构，横桥向各柱肢分别固定于钢管拱肋上，柱间采用横撑联接。

采用工厂分段制作、加工，现场分段吊装、焊接的方式安装。

立柱高度相差较大，从54.163至1.928m，根据立柱的高度，柱截面尺寸分别采用1500×800mm、1300×800mm和1100×800mm三种，壁厚均为16mm。

3 施工监控目标
围绕该特大桥施工安全、成桥线形与内力分布的最终目标，根据施工过程中对于各阶段主拱肋标高、轴线偏位、内力（应力）以及拱肋安装过程中缆索吊装系统的变形与内力等监测数据，实时分析实测数据与预测值的差异，对设计参数进行必要的修正，确保桥梁施工中的安全和顺利合拢，并使结构内力处于最优状态、成桥线形符合设计及现行规范要求。

该桥钢管拱肋安装阶段的施工监控的总体目标是：
空钢管拱圈控制轴线等于制造轴线（拱轴线+预拱度值）减去空钢管无铰拱自重挠度曲线，即空钢管无铰拱自重作用下的变形；
上、下弦空钢管的应力＝空钢管无铰拱自重作用下的应力。

施工控制以线形控制为主，应力控制为辅（但需控制在规范允许范围内）。

同一位置处的两个节段高程差控制在±4.5mm以内；
拱肋吊装过程中的扣塔偏位控制在±20mm以内。

4 施工监控原则
该特大桥施工控制采取线形控制为主，应力控制为辅的监控原则（应力控制在规范和安全容许范围内）。

（1）线形要求
主拱圈的线形控制包括高程控制和横向偏位控制，其中，扣索力是影响主拱标高的主要因素，缆风是调整拱肋骨架的轴线线形主要途径。

在该大桥施工监控中，必须高精度地控制主拱圈的高程和横向偏位。

（2）受力要求
应力是结构受力后的反应。

该特大桥施工过程中的受力因素包括主拱、扣塔
及扣索部分的截面内力（或应力）。

通常起控制作用的是主拱的上、下缘正应力，在这个施工监控中始终处于监控状态。

扣索力、锚索力是控制拱肋节段高程、平衡扣塔纵向偏位的临时索力，必须采用索力计进行测试。

交界墩和临时扣塔是支承整个拱肋吊装的重要结构物，通常扣塔用钢结构，截面应力和稳定是控制的重要参数，前者采用应力传感器测试，后者通过详细的理论分析予以保证。

5施工控制计算
5.1 前期理论计算
按照该钢管混凝土桁架拱桥施工图设计文件和主拱肋吊装顺序、松扣顺序以及管内混凝土浇筑顺序、拱上立柱加载程序和桥面系施工，开展该特大桥的施工前进仿真计算。

其计算结果作为施工监控各阶段线形和应力控制的目标依据。

5.2 主拱肋吊装过程中的索力与节段预抬量计算
该特大桥节段数量多、重量大，需采用单节段吊装、单节段张拉扣索的施工方法，容易导致两个节段在安装完成后处于不同高程位置，造成节段间横联安装困难，过大时甚至要进行现场调整构件长度。

为此，在计算扣索力和节段预抬量时，需要分两步进行，先整体计算、后分节段计算。

扣索力与节段预抬值的计算流程如图5. 1所示。

图5. 1 扣索力与节段预抬值的计算流程
5.3 拱肋安装过程中的稳定性验算
现有众多结构有限元程序中，只有SAP2000能够真实计算出每个施工状况下的稳定性，因此，拱肋安装过程中的稳定计算将由SAP2000来完成。

稳定计算包括以下内容：
集拱肋、交界墩、扣塔、扣索、锚索于一体，建立空间有限元模型；
根据各个施工阶段，计算在无风荷载作用、温度变化下的施工阶段稳定；
根据各个施工阶段，计算在有风荷载作用和温度变化下的施工稳定；
重点分析在最大悬臂阶段在横向风力、偏载影响下的稳定性计算；
根据分析结果，提出提高施工稳定的措施或建议。

5.4主拱合龙与松扣计算
根据设计要求，拱圈应选择一个温度稳定的时段进行瞬时合龙，设计合龙温度为15±5℃。

主拱圈合龙后，需要卸除原有的扣索。

拆除扣索的过程就是将扣索力反向施加于主拱圈的过程，因此，不仅需要计算扣索力对主拱圈变形的影响，也要验算松扣过程中主拱圈的稳定性，以确保安全。

松扣过程的计算采用ANSYS 和Midas/Civil程序，稳定性验算则采用SAP2000进行。

5.5 管内混凝土灌注过程中的应力、变形与稳定计算
管内混凝土灌注是在空钢管合龙完成后进行。

开展管内混凝土灌注阶段计算，管内混凝土收缩徐变计算，虽然计算模式和计算方法很多，但计算复杂，本次按管内混凝土降温20℃计算。

5.6 安装拱上立柱、盖梁、桥面系和桥面铺装等各阶段内力与稳定计算
这个施工阶段实质是对主拱圈的加载过程，可以按照拟定的加载程序进行计算，分别计算出主拱内力和变形值，其中变形值是主拱预拱度设置和拱上立柱下料长度的依据。

由于大跨度拱桥的拱上建筑重量大，但对主拱圈整体稳定性增强不大，因此，主拱圈稳定性将随着拱上建筑的施工逐渐降低，因此，需要计算拱上立柱、盖梁、桥面系和桥面铺装等各阶段的稳定性。

5.7 拱上立柱下料长度计算与高立柱稳定性验算
根据该钢管混凝土拱桥的构造和环境特点，计算拱上立柱在最大悬臂状态、立柱盖梁安装阶段时的稳定系数，必要时提出临时稳定措施，如设置浪风，确保高立柱的稳定。

6 结语
本文结合某工程实例探讨钢管混凝土桁架拱桥施工监控技术要点，详细介绍施工控制的计算内容。

对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测关系到成桥合龙精度和施工线形与设计线形的吻合程度、桥梁的施工安全和最终使用寿命,做好施工过程中的监测监控工作是十分重要和必要的。

该工程竣工后施工监控工达到了预期的目标，使用性能良好，其施工监控技术方法可供类似工程参考借鉴。

7.参考文献
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