三拱肋钢管混凝土拱桥施工控制技术研究

王 剑 徐 清 忽荣海 简春风 龚章龙 任 勇

中国葛洲坝集团建设工程有限公司 云南 昆明 650200

我国钢管拱桥起步晚于欧美国家，直到1991年我国第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍大桥才建成。但钢管混凝土拱桥在国外发展较慢、应用较少，在我国则快速发展，经过20多年的发展，我国钢管混凝土拱桥建造已达到国际先进水平。目前我国已建成了世界上跨度最大的钢管混凝土桥——合江长江一桥，主桥长838 m，桥面宽28 m，主跨518 m的钢管混凝土中承式拱桥，超过了原世界单拱跨度最大（跨径460 m）的巫山长江大桥。

钢管混凝土拱桥是由拱肋、吊索、主梁和系杆组成的多次超静定结构体系[1-3]。受结构特点与施工工艺的影响，拱肋应力和线形调整非常困难。不同的施工方法、材料性能直接影响成桥后的线形和受力，因此，施工过程中必须通过计算—识别—调整，确保成桥后的结构受力和线形满足设计要求。而针对三拱肋桥梁，吊索张拉更加复杂，桥梁线形及吊索索力调整更为困难。

本文以山东新万福三拱肋钢管混凝土拱桥为背景，根据三拱肋钢管混凝土拱桥的结构特点，开展了仿真计算、拱肋变形及应力控制、主梁变形控制、吊杆索力调整等相关方面的研究，并针对实际工程开展了施工控制工作。

1 工程概况

桥梁跨径布置为11×30 m＋103.6 m＋12×30 m，主桥桥型为下承式钢管混凝土简支系杆拱桥（图1）。主跨103.6 m，桥面总宽度30.7 m，边纵梁宽 1.4 m，中纵梁宽1.6 m。全桥共设3根钢管混凝土拱肋，拱肋截面为哑铃形，中肋高260 cm，边肋高240 cm；钢管混凝土采用泵送混凝土顶升灌注。3根拱肋横向间距均为14.65 m，拱肋间设置7道哑铃形钢管风撑。

图1 大桥立面

2 施工过程有限元模拟

2.1 有限元模型

建立有限元模型前，首先对结构体系进行研究，根据构件类型确定合理的模拟单元类型，合理划分单元大小，根据实际情况确定荷载大小和荷载施加位置。同时要准确地获取结构的约束形式，施加合理的边界条件。采用通用有限元分析软件Midas Civil建立有限元模型（图2），进行大桥仿真计算，获取施工控制所需的各种参数。

图2 主桥有限元模型

1）单元选取：纵/横梁、钢混组合拱肋均采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟；T梁桥面板按荷载进行考虑。

2）边界条件：墩台支座用铰接边界模拟；拱肋与风撑之间通过刚性连接模拟；主梁支架及拱肋支架采用铰接边界模拟。

3）荷载：施工阶段分析时考虑结构自重、主梁纵向预应力、吊杆索力的作用效应；桥梁预拱度的设置考虑汽车荷载作用效应，汽车荷载作用参考JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》按公路Ⅰ级取值；桥面铺装、防护栏杆等二期荷载以线荷载形式施加在梁单元上，施工过程中其他荷载以节点荷载形式施加在相应位置。

2.2 工况划分

依据施工方案，施工过程计算分为10个阶段（表1）。

2.3 计算结果

1）变形。通过计算得出，全桥在施工过程中最大的竖向变形为－52 mm，汽车荷载标准值作用下的主梁最大竖向变形为－17 mm。

2）应力。施工过程中，纵梁最大压应力为－8.4 MPa；横梁最大拉应力为0.8 MPa，最大压应力为－8.2 MPa。拱肋钢管最大拉应力为20.1 MPa，最大压应力为－116.6 MPa。张拉第1组吊杆时，在靠近张拉吊杆位置的拱肋下弦混凝土会出现拉应力，最大拉应力为2.1 MPa；最终成桥阶段，拱肋混凝土以受压为主，最大压应力为－11.2 MPa。

表1 施工阶段及具体施工内容

3）索力。成桥后，边吊杆的最大索力为1 044 kN，中吊杆的最大索力为1 760 kN。

4）预拱度。预拱度设置时应考虑支架弹性变形、非弹性变形、施工阶段结构变形、混凝土结构的收缩徐变及成桥后的1/2活载变形。经验算，纵梁预拱度最大为54 mm，拱肋预拱度最大为57 mm。

3 施工控制原则及方法

3.1 施工控制目的

桥梁施工是一个动态过程，结构体系具有时变特性，施工工艺、材料、外部环境对成桥状态结构内力及线形具有较大影响。开展施工控制是消除施工对桥梁结构影响的有效手段。桥梁施工控制是对施工过程中结构的受力、变形、稳定性等进行预测、对比和纠偏，保证施工过程安全，使成桥后桥梁内力和线形等处于可控状态，满足设计及规范要求。

3.2 施工控制原则

三拱肋拱桥为空间受力，横梁、系杆、拱肋受力状态与普通两拱肋拱桥不同，远比两拱肋复杂，其中最为显著的是横梁由两支点变为三支点，从而带来弯矩效应；中系杆预应力次效应远大于两侧边系杆；拱肋体系刚度直接影响横梁和系杆的受力状态。施工过程中需要关注拱肋稳定性、拱肋应力状态、横梁应力状态、系杆线形及应力状态，稳定性关系到施工过程的安全，应力及线形涉及成桥的目标状态及结构耐久性。在施工控制过程中，应首先关注结构的安全，在确保结构稳定可靠的前提下开展桥梁内力和变形控制。鉴于当前结构监测技术的日益成熟，内力监测精准度较高，体系日益完善，因此针对支架法施工的三拱肋混凝土拱桥，应采取内力和变形双控措施，坚持以拱肋、横梁、吊杆内力控制为主的原则开展控制工作。

3.3 施工控制方法

鉴于三拱肋混凝土拱桥结构的复杂性，选择具有反馈功能、适合大型复杂工程、控制精度较高的闭环控制方法。首先，根据总体控制目标，通过计算分析确定各阶段控制目标和理想状态。接着，在施工过程中对结构状态进行实时监测，将结构实际状态与理想状态进行对比，得到实际状态与理想状态的差异，即为控制系统的参数反馈。最后，根据反馈修改施工流程和计算模型，得到修正后的施工控制目标和理想状态。

4 施工控制内容及效果

4.1 钢管混凝土灌注顺序分析

钢管混凝土采用逐根灌注方式，每根钢管拱肋灌注时间差为1 d。为减小后续混凝土灌注对前面已灌注混凝土的影响，防止混凝土开裂，需针对灌注顺序进行研究，找到混凝土灌注的相互影响规律，确定最优灌注顺序。

1）灌注顺序方案1。方案1为顺序灌注方案，即下部钢管从左向右灌注，然后再从左向右灌注上部钢管混凝土（图3）。该种灌注方式存在一定的偏载效应。

2）灌注顺序方案2。方案2为对称灌注方案，即下部钢管先灌注中拱肋，然后再分别灌注左侧拱肋和右侧拱肋，上部钢管灌注顺序与下部顺序相同（图4）。该种灌注方式对称性好。

图3 方案1混凝土灌注顺序

图4 方案2混凝土灌注顺序

4.2 拱肋应力控制

根据仿真计算，张拉第1组吊杆时，在靠近张拉吊杆位置的拱肋下弦混凝土会出现拉应力，最大拉应力为2.10 MPa，稍大于C50混凝土的设计抗拉强度1.83 MPa。通过适当调整吊杆张拉顺序和吊杆张拉力，降低首次张拉钢管内的混凝土拉应力，避免吊杆张拉过程中拱肋混凝土出现开裂。

根据确定的张拉顺序及张拉力施工完成后，钢管拱肋顶部及底部应力与预期拟合较好（图5、图6），施工过程中未出现较大的拉应力工况，拱肋受力状态满足要求。

4.3 吊杆索力控制

吊杆施工过程中采用对称分批张拉，随着吊杆的张拉，桥梁结构发生体系转换及内力重分布。吊杆张拉相互影响明显，即后张拉吊杆对已张拉吊杆索力产生影响，尤其对附近吊杆索力影响较大。吊杆索力施工控制的目的是通过确定每根吊索合理的张拉值，使张拉完成后各根吊杆索力满足设计要求。将实测吊杆力代入有限元模型，采用倒拆与正装相结合的方法确定每根吊杆索力张拉值并指导张拉施工。根据确定的吊杆索力进行张拉施工，成桥后获得了与设计值较为接近的索力，大部分索力偏差控制在5%以内，极少数几根吊杆偏差为10%，后期通过索力调整进行了进一步调控，使吊杆索力满足了规范和设计要求。

图5 拱肋顶部应力状态

图6 拱肋底部应力状态

5 结语

开展三拱肋钢管混凝土拱桥施工控制时，应首先明确桥梁的结构和力学特点，合理地建立有限元仿真模型，进行精确分析，从而获得准确的控制目标。

1）经实践检验，通过施工控制措施有效控制了钢管拱肋的拉应力，成桥后钢管拱肋线形及内力状态与设计相符，吊杆索力满足规范及设计的偏差要求，主梁线形平顺，施工控制作用显著。

2）吊杆张拉力对横梁应力分布影响较大，施工中应注意横梁应力状态的控制，防止横梁出现过大拉应力，继而出现裂缝，影响耐久性。

3）拱脚位置吊杆长度较短，采用振动法测量误差较大，施工过程中应采用合理可靠的监测手段获取吊杆索力。如无可靠的监测仪器设备，可采用仿真计算与千斤顶张拉验证相结合的方法确定短吊杆索力。