钢管混凝土提篮拱桥施工控制要点

钢管混凝土提篮拱桥施工控制关键技术

摘要：以我国已建成的最大跨度270m的钢管混凝土提篮拱桥三门口跨海大桥北门桥为背景，通过对施工控制中一些关键技术的研究，着重对拱肋横向预偏，横梁一次定位，温度效应等分析，优化了拱肋线形和内力，提高了施工控制精度。

关键词：钢管混凝土提篮拱桥施工控制温度效应横向预偏一次定位

1概述

三门口跨海大桥位于浙江省象山县石浦镇西南约15公里处的三门口地区，连接石浦镇和高塘岛，是石浦港的西口门。三门口跨海大桥北门桥主桥采用中承式钢管混凝土提篮拱桥，其主跨为270m,矢高54m，矢跨比1/5，拱肋轴线为悬链线，拱轴系数1.543。大桥拱肋向内倾80，拱肋结构采用节间为4m的N形桁架形式，上下弦共采用4根￠80的钢管，高 5.3m，肋宽 2.4m。在该桥施工过程中对结构的应力和线形进行了全过程的监测和监控。

2、拱肋吊装

2.1一次张拉到位法[1]

现阶段施工控制中桥梁结构的计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态分析法。在大跨度桥梁结构的施工控制中，虽然正装计算法、倒装计算法和无应力状态计算法都能用于各种形式的桥梁结构分析，但考虑到三门口地区8月台风期前必须拆除缆索吊系统，而且海边风大，钢铰线易锈蚀等原因，必须用一种时间短，安全性高且少张拉索的方法来指导拱肋吊装。于是我们采用一次张拉到位的控制思想对其进行施工过程分析与计算。该方法的主要思路是扣索和背索只在当前安装的拱段上张拉，合龙时也不需调整索力，就可使拱肋线形和应力达到理想期望值。该方法采用后，不仅节约了工期，而且还加强了扣索系统的安全性。

由于主拱肋的钢桁架全部是预制结构，各节段的长度、位置与线型均已确定，在拼装过程中只要1号节段的拼装标高和扣索的安装索力一旦确定，节段与节段之间依靠螺栓连结，节段之间拼装的尺寸不能改变，因此在计算时采取了一次形成最大悬臂的虚拟结构来模拟拼装结构的方法[2]：即在吊装1号节段时，也将其它的钢桁构件(除合拢段外)按设计线型全部安装上去，但是不计这些单元的自重，从而形成了一个虚似的结构，节段的自重在安装该节段时再计入，应用这种方法处理就可以很方便的计入前节段的施工对后面待施工节段的标高的影响，并且通过确定合理的扣索力来保证主拱上各结点的位移与目标值接近。另外，扣索受力行为表现在自重作用下自由变形，其弹性伸长量较大，

而实际施工中，由于扣索采用千斤顶张拉受力，其弹性伸长量被千斤顶拉出消除在扣架的锚固端外，因此变形值二者并不吻合，为模拟实际状态中扣索弹性伸长量被消除的状态，在计算时将扣索刚度加大很大使其弹性变形较小。 2.2温度修正 （1）温度效应

拱肋吊装时以合龙温度为基准温度，但拱肋吊装需要几十天才能完成，吊装精确定位时无法都在统一的温度场下确定，所以我们必须考虑温度对预抬量的影响。设T ?为温度改变量，k 为钢铰线线膨胀系数, 扣索端会相应变化y ?。可得钢铰线的改变量[3]：

T

k L L L k i T ???+=?)( （1）

扣塔标高的改变量：

T k H H T ???=? （2）

拱肋的改变量：

T k S S i T ???=? （3）

式中:i L －扣索索长；

k L －背索索长；

-H 扣塔高；

-i S 拱肋长度。

图2

温度对预抬影响计算模式图 （2）温度影响决策分析系统[4]

根据北门桥现场施工控制需要，建立了如图所示的温度影响决策分析系统,利用该温度决策分析系统，使得在任何环境温度下都可以进行拱肋吊装就位。 2.3横向预偏

拱肋安装时，平行拱一般只需要控制每段拱肋

的标高和轴线就能够较好地控制线形以及横撑安装定位。通常我们所说的预抬一般是指标高预抬,对于非整体式吊装的提篮拱不仅要考虑控制点的三维坐标，还需要考虑拱肋的横向预抬，即需要考虑拱肋的横向预偏。

图3 温度影响决策分析系统

不妨设第i 段预抬量为i

y h ，那么横向偏位为

θtg h h yi xi ?=，横撑精确定位前横撑重量已经由

拱肋承担，相当于拱肋上作用一个集中力从而使标高下降

yi

h /,同时横向偏位也变小

xi

h /＝

θtg h yi ?/，那么我们在吊装拱肋时就应该通过横

向预偏：

θtg h h h h h yi yi xi xi yi ?-=-=?)(// （4）

式中：θ－拱肋倾角8

。

预偏的过程可以根据实际施工和允许的条件来确定，如果横向预偏量很小，可以在拱肋吊装定位时直接通过缆风索预拉调整。如果横向预偏量较大时，缆风索无法调整时，那么我们可以在横撑定位时，由于标高下降使缆风索适当放松，再次通过其调整；同时还可以利用千斤顶横向预顶拱肋来完

y ?

xi xi

S

S i L

H

T H ?

k L

S ?

α?

β i β

图4横向预抬计算模式图

成横向偏位的调整。从而使成桥后拱肋横向坐标趋近于成桥横向设计坐标。这样不仅对横向偏位较好的控制，而且对于拱脚受力有明显的改善。在实际施工过程中，缆风索主要是对吊装的拱肋起到稳定作用，其预拉也是有条件的，对拱肋横向偏位调整是很有限的。如果预抬量较大，横向偏位亦大，一旦无法调整横向偏位到理想值，就会对横撑安装造成很大的困难，影响拱肋的受力性能。因此在吊装过程中必须严格控制每段拱肋的预抬高角i θ，接合本桥实际情况，转角范围为

4.01

.0≤≤-i θ,

即标高预抬不能太大，本桥最大的预抬不到20cm,实际横向预偏只有2cm ，是比较好控制的。 2.4弹性压缩

由于拱肋制作采用无应力下料,理想状态下不计弹性压缩。而吊装时却存在其自重和扣索索力对其产生的弹性压缩,水平方向的弹性压缩主要是扣索索力产生的。有的合龙段设计预留量不大，如果弹性压缩太大,无法在正常情况下合龙，那么只有牺牲一定的线形合龙。索力过大，松索后对于拱的受力是不利的。有关文献[5]认为各扣索的水平分力的合力最好接近于无应力空钢管自重下拱顶的轴力。在拱肋吊装中一般都遵循宁高勿低的原则，但也不是越高越好，索力和转角都不宜过大，否则会因小失大。 2.5合拢温度

合拢是拱桥施工过程中最关键的工序，合拢

温度的修正也是必须要注意的问题，不仅要修正线形，还要考虑其内力的调整。在南方的夏天是不可能在设计院提供的合拢温度下合拢。从几何关系来讲, 合拢拱轴线的温度修正是比较简单的；但从受力角度出发,我们必须考虑以后降温时拱顶的内力影响。利用内力调整手段及时调整内力,一般的做法是顺桥向预顶拱肋下弦管,让其储备一定的压力, 合拢后相当于储备了一定的负弯矩,同时对于标高的调整也起到了一定的作用。降温时，抵消了拱顶的

一部分正弯矩，使合拢后拱结构的内力与设计模式吻合。 2.6松索

在主拱合拢，拱脚封固变无铰拱，去扣索后，此时的上、下拱肋的应力值和标高要接近空钢管无铰拱自重作用下的应力值和标高。

本文通过对从拱脚往拱顶松索与从拱顶向拱脚松索的不同顺序计算表明，两者差别不大。松索需遵循拱肋标高偏差较大时应兼顾先松偏高处扣索的原则，这样可以利用拱肋自重调整拱肋轴线标高，使其与设计值更趋吻合。由于本桥实际中拱顶偏低，拱脚偏高，所以我们用千斤顶从拱脚往拱顶逐级松开，每次可按1/4扣索索力松扣，而且两岸对称、分批、同步进行。

一般情况下保留缆风索，有的还保留适量的扣索，对于后续工况混凝土的灌注时标高和横向偏位的适当调整起到了一定的作用。 3灌注混凝土

钢管混凝土的灌注最好是对称同时两根管

灌注，由于工地条件和场地的限制，八根管只能一根根灌，这样对于监控精度的要求更高了。不少文献对灌注混凝土的顺序进行了研究，有的认为先灌上面好，有的认为先灌下面好，有的认为没有什么影响等，目前还没有一个统一的优化顺序，本文通过先上后下与先下后上两种情况进行了模拟计算，计算表明区别不大。由于本桥为“提篮式”结构，在灌注过程中存在单侧受力将向另一侧侧倾的问题，计算分析结果是单侧灌注到拱顶后，拱顶侧向位移3cm 多。由于侧向位移的产生后，在灌注另一侧时不可能完全恢复，因而在完成上下游对称两管混凝土灌注之后，反过来先灌注另一侧混凝土，这样可以使得拱顶侧向位移最终得以基本纠正。

本文ANSYS 建模采用beam188单元，利用其可以建立组合截面的优点，并采用重叠单元和单元生死相结合的技术，较好地模拟了钢管混凝土共同

受力。在灌混凝土的工况中只计入混凝土的重量而不计入其刚度，而在下一个工况即混凝土凝固后，则计入上工况只计重量的混凝土的刚度。另外为了监测和预防混凝土的脱空现象，在拱脚处钢管肋埋置了应变计，可以即使反映其应力和温度的变化。

4安装吊杆

4.1横梁一次定位法

横梁一次定位法是指横梁安装在吊杆上时，就一次性确定好定位标高，这与吊杆和横梁的安装顺序有关，主要是后安装的横梁及其桥面系对以前己安装的横梁处的标高有影响造成的，设后续横梁、桥面系等工序对第i 号横梁的变形累计影响为d i ?（为易于表述，以下所有变形量均以向下为正），其中不包括第i 号横梁本身以及前期横梁等重量的影响，则第i 号横梁的一次性定位标高为：

d i H H ?+=1 （5）

变形累计影响可以写成线性方程：

[]δ{}y ={}d ? （6）

??

????

??????

??????????????=??????????????????????????????????????????--id d d d i y j y y y i j i i i i N N N N 32121,,21,23,2,11,12,1000000000000δδδδδδδ

其中:H -横梁设计标高；

ij δ-第j 根吊杆产生单位竖向力时对第i 号节

点的位移影响量；

i y N －第i 根吊杆产生的单位竖向力。

4.2温度分析

安装吊杆横梁已经是夏天，钢结构表面温度高

达40多度，计算表明温度变化20度横梁标高最大变化5.5cm,显然这个变化是不容忽视的。考虑到安装吊杆横梁时，整个属于可变体系，不好分析。那么不妨简化计算，将拱肋，吊杆，横梁分开考虑。假设温度变化t ?，将已经安装的吊杆横梁等效重量作为集中力加在拱肋的上吊点上，对于超静定结构拱肋的位移变化可以通过有限元程序易得标高变化ig L ?；吊杆本身温度引起的变化量是可以手算的T L ?；由于横梁与吊杆是铰接，那么我们可以认为横梁就是一片简支梁，不难算出其端点的内力竖向力

yi N /，此内力的

反力就是吊杆产生的竖向力，那么吊杆竖向力的变化量为：

yi yi yi N N N -=?/ （7）

式中：

yi N －不考虑温度时吊杆竖向力。

从而可得吊杆竖向变化量id L ?。可见，

温度对其标高的影响量为：

=?t L +?ig L +?T L id L ? （8） 考虑温度后横梁定位标高为：

+?+=d i H H 1t L ? （9）

5结语

目前北门桥已经顺利完工，通过对施工控制中一些关键技术的研究，得到以下主要结论:

（1）提出了横向预抬的思想，此法适合应用于非整体式吊装的提篮拱桥；

（2）一次张拉到位和横梁一次定位的方法对于拱桥的受力有明显改善，避免了反复调整的复杂性，节约了工期。

（3）分析了温度在施工中的影响，建立了温度影响决策分析系统，为施工的顺利进行提供了保障。 （4）混凝土的灌注以及混凝土的脱空是十分复杂的，在施工监控中还不能完全依赖理论计算，同时

图5全桥A N S Y S 模型

笔者认为混凝土的刚度变化取值也是一个值得研究和探讨的问题。

（5）由于北门桥位于海上，抗风稳定分析和防腐也是本桥的重点和难点。

参考文献：

[1]田仲初,陈得良,颜东煌,陈政清.钢箱提篮拱桥施工控制的关键技术. 中国公路学报.2004.No3 [2]李学文,颜东煌等.AungZaYa桥的施工受力状态优化国外桥梁.2001.No3

[3]谢肖礼,赵国藩,胡安妮,邹存俊.钢管混凝土施工过程中考虑温度效应的预抬高量二阶分析.工程力学.2005.No4

[4]陈得良,卜铭,田仲初.基于温度决策的钢箱提篮拱桥施工控制.中外公路.2005.No2

[5]徐君兰.大跨径桥梁施工控制理论. 北京:人民交通出版社.2000

表2拱肋横向预偏量（单位:mm）

注：合计为理论计算与设计线形偏差值，实测为实测与设计线形偏差值。