钢筋混凝土箱形拱桥施工控制.pdf

钢筋混凝土箱形拱桥施工控制 李建华 3 5 钢筋混凝土箱形拱桥 施工控 制 李 建华 ( 中 国铁 工建设 有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 5 5 ) 摘 要 ： 为使拱桥 达到理想 的成桥状 态 ， 结合 岭兜特大桥工程 ， 对采用预制拱肋 、 缆索 吊装施 工的钢筋混凝土 箱形 拱桥 ， 利用结构有 限元分析 ， 根据倒装一正装计算法对施工过程 中结构的受力特性 和变形进行 预测 ， 施 工控制 中对主拱的应力 、 线形 、 扣索的索力等进行监测 。结果表 明 ： 在 拱肋 吊装过程 中拱轴线 变化与计 算一致 ， 拱 肋合龙 后各控制点的实测高程与控制高程之差 、 轴线偏位均 满足相关 规范要 求 ； 主拱圈典 型截面 上的实测 应力值 与计算 应力值接近 ； 扣索实测索力与计算索力基本 吻合 ， 岭兜特大桥达到 了理想 的成桥状态 。 关键词 ： 拱桥 ； 箱形拱肋 ； 钢 筋混凝 土 ； 缆索 吊装 ； 应 力； 施工监控 中图分类号 ：U 4 4 8 2 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 3 5 0 4 1 前 言 拱桥采用桥下预制拱肋 、 缆索 吊装的施工方法 时， 因施工过程 中存在多次体系转换， 其受力结构 、 受力 状态 不断 发 生 变化 ， 施 工难 度 较 大 。但 该 方 法 在钢 箱 、 钢 管 混 凝 土拱 桥 施 工 中应 用 较 多 _ 1 。大 跨度钢筋混凝土箱形拱桥采用该施工工艺 ， 主拱应 力和线形受梁体 自重、 混凝土收缩徐变 、 温度等因素 的影响较大， 施工过程 中产生的误差如不进行及时 调整 ， 会对桥梁 的合龙造成困难 ， 给桥梁的运营和维 护带 来不 利影 响 。 目前 针对 钢 筋混 凝 土拱 桥 缆 索吊装施工控制的研究还较少 8 叫 。本文结合岭兜 特大桥的工程实际 ， 采用倒装 一正装计算法对桥梁 结构进行计算 ， 对施工过程结构的变形进行有效预 测和控制 ， 以确保施工质量 ， 达到合理的成桥状态 。 2工程概 况 岭兜特大桥位于福建省宁德市， 是省道 $ 3 O 3线 上一座钢筋混凝土箱形拱桥 ， 大桥跨越 闽东 山区深 谷 ， 两岸岸坡陡峻 。主桥净跨径 1 6 o m， 为净矢高 4 O m 的悬链线 拱桥 ， 矢 跨 比 1： 4 ， 拱轴 系数 为 2 1 1 4 。 主拱 圈为单箱四室的箱形截面， 拱箱高 2 5 m， 宽 8 m。拱箱 顶板 厚 0 2 5 m， 底 板 厚 0 2 m， 边 腹 板 厚 0 1 2 m， 中腹板厚 0 4 1 m。拱上采用双柱式空心立 柱 ， 柱高 2 3 7 5 3 0 2 4 7 m， 桥面 系为 1 3孑 L 跨 径 1 3 0 m 的预应 力混 凝土 空心 板 ， 桥 面 连续 。岭兜 特 大桥 主桥总体布置如图 1 所示 。 岭兜特大桥主桥采用缆索吊装工艺施工 ， 主拱 圈横 向由 4 条拱肋组成复合箱形截面 ( 见图 2 ) ， 主 拱圈吊装顺序为第 2 、 3 、 4 、 1肋 ( 从上游至下游拱肋 依次为第 1 、 2 、 3 、 4肋 ) 。每条拱肋分 7个拱段预制 ( 见图 3 ) ， 两岸对称 吊装 ， 端段、 中 1段、 中 2段依次 进行吊装， 再 吊装上合龙段 ， 卸除 吊、 扣索， 单肋成 拱 。主拱圈 4条拱肋合龙后 ， 进行腹板加厚和顶板 二次浇筑 ， 形成主拱圈完整的断面。现浇拱上横梁、 立 柱 、 盖梁 ， 完 成 桥 面 系 施 工 。全 桥 主拱 圈共 有 2 8 个 节段 ， 最 大 吊重 约 7 0 t 。 一 - 1 6 0 图 1 岭兜特大桥主桥总体布置 单位：m 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 0 9 作者简介 ： 李建华 ( 1 9 7 1 一) ， 男 ， 高级工程师 ， 1 9 9 6年毕业于上海铁道大学铁道工程专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 7年毕业 于西南交通大学 土木与建筑 专业 ， 工学硕士( E - ma i l ： l j h 8 1 5 4 1 2 6 c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 世 界 桥 梁 2 0 1 3 ， 4 1 ( 4 ) 图 2主拱截面 和应 力测 点布 置 单位：a m 图 3 主拱圈计算模型示意 3施工 控制计 算 该 桥 施工监 控计 算采 用倒 装 一正装 计算 法 。即 按照 桥梁 结构 实际施 工加 载顺 序 的逆过 程进 行结 构 分析 ， 得到桥梁结构在每一施工阶段理想 的安装位 置( 标高) 和理想 的受力状态 ( 施工控制 目标值) ， 作 为正装计算的初始状态参数 ； 然后按结构实 际施工 加载顺序进行结构变形和受力分析 ( 包括对结构某 些参 数 的调整 ) ， 按 照正 装计 算 出的桥 梁结 构各 阶段 中间状态指导桥梁 的安装标高和线形控制 。 理想 正装计算完成后 ， 比较同工况下的倒装计 算 和理想 的正 装计 算结 果 。如果 二者 在允许 的范 围 内相互吻合 ， 则现场施工的正装计算( 包括阶段施工 前 的预测 计算 和 阶段 施 工 后 的校 核 计 算 ) 以此 理 想 正装计算为依据进行控制； 如果二者超出允许范围， 则进行有限次相互 迭代 的倒装计算和正装计算 ， 直 至结果 符合 要求 为止 。 上述计算是一个复杂 的优化过程 ， 优化的 目的 是 尽量 减少 扣索 的 调整 次 数 ( 最 为理 想 的 情 况 是一 次调整扣索索力到位) 。在优化计算过程 中既要使 扣索索力、 拱轴线满足要求 ， 又要使拱 圈控制截面应 力不超过容许应力。通过计算可以得到各个工况扣 索索力和拱圈节段端部的挠度 。各工况拱 圈节段端 部的拱轴线控制标高由下式计算 ： Y Y +D 式 中， y 为各工况下拱轴线处控制点标高 ； Y 为拱 轴线处控制点初始标高( 含预拱) ； ED 为到本工况 为止拱轴线处控制点累计挠度 。 采用桥梁结构计算软件桥梁博士进行结构分 析 ， 同 时 采 用 有 限元 分 析 软 件 MI DAS进 行 复 核 。 结构计算采用设计确定的成桥状态作为初始状态 。 设 拱座 处 为 固定 铰 支 座 ， 采 用 平 面杆 系 有 限元 法进 行计算分析， 拱轴线采用制造拱轴线 即含预拱度的 拱轴线 ， 将拱箱横隔板 、 扣点 、 中间接头等处作为划 分单元 的控制节点 ， 建立主拱圈单肋拱 吊装施工的 结构计算模型 ， 如图 3所示 。图中扣索单元从左至 右 的编号 为 K S 1 、 KS 2 、 KS 3 、 KS 3 、 KS 2 、 K S 1 。 吊 装施工计 算模 型共划分 1 3 4个单元 、 1 2 4个节 点。 其中， 主拱圈部分划分 6 2个单元、6 3个节点 。 混凝土 的弹性模量 、 容重采用现场实测值作为 计算参数 ， 预拱度计算考虑了扣索变形 、 施工荷载和 拱上 结构 加载顺 序 、 混 凝 土 收 缩 徐 变 以及 温 度 变 化 等 因素 。 4施 工监控 拱 肋施 工 监 控 重点 为 ： 吊装 过程 中控 制 主拱 圈 标高、 轴线偏位， 拱肋合龙( 主拱圈形成) 后监控不同 工况下主拱圈的变形、 应力和扣索索力 。 主拱圈拱肋线形控制是将测量棱镜安装在节段 端 部底 板 附近 ， 量 出距 离 ， 计 算 出测点 对应 的桩 号和 预拱标高， 用全站仪进行高程控制。主拱 圈应力测 试利用钢弦式应变传感器 ， 测 点主要布置于典型受 力截面， 即 2个拱脚 截面、 拱顶截面和 1个 1 4截 面 ， 每个 截 面设 8点 ( 见 图 2 ) 。全 桥共 埋 入 3 2个钢 弦式应变传感器 ， 完成主拱圈吊装过程及拱上建筑 施 工过 程 中主拱 圈 的应变 测量 。在 每一拱 圈 节段 吊 装完成后测量每根扣索的索力 。 表 1为第 2肋 吊装过程拱轴线变化 ， 表 中控制 高程 为在 制 造 轴 线 基 础 上 各 节 段 端 部 抬 高 2 0 c m ( 中 2段抬高 4 0 c m) 后在拱圈节段上安装 的棱镜 中 心高 程 。从 表 1 可 以看 出 ， 第 2肋合 龙 后 各 控 制 点 的实测高程与控制高程之 间的高程 差最大值为 4 9 mm， 轴线 偏位 最 大 值 为 1 5 mm， 均 满 足 公 路 工 程 质量 检验 评定 标准 ( J TG F 8 0 1 2 0 0 4 ) 的要求 。 表 2为第 2肋 ( 中肋) 单肋合龙时 、 成桥 时主拱 圈典型截面上的实测最大应力值与理论计算应力值 比较结果 。从表 2可知 ， 实测应力值与理论计算应 力值 比较接近； 成桥时每条拱肋 的同一截 面在相 同 工况下 的应 力基本 一致 ； 中肋合 龙 时 中肋 最大 压 应力值为 6 2 1 MP a ， 成 桥后 主拱 圈最大压应力 为 9 7 7 MP a ， 均未超过容许应力 ， 各截面也未出现拉 应 力。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢筋混凝 土箱形拱 桥施 工控 制 李建华 3 7 表 3为第 2 肋 ( 中肋 ) 吊装过 程各 工况 的计 算索 力和实测索力 ， 工况 1 3 分别对应端段、 中 1段、 中 2段 吊装完 成 ， 工况 4表示 合 龙 段安 装 完 成 ， 起 吊索 拆除后各扣索索力 的情况 ， 但是在施工中该 工况不 独立 。施工过程是在未松 吊索 的情况 下 固结合龙 段 ， 然后再逐级对扣索、 起 吊索卸载。因此工况 4下 的索力无法测出。从表 3可知 ， 实测索力 比较接近 计 算 索力 ， 施工 控 制达 到 了预期效 果 。 5 结 语 岭兜特大桥第 2肋 吊装过程拱轴线变化实测结 果 、 主拱圈的应力和扣索索力测试数据和计算值证 明， 岭兜特大桥成桥状态 良好 。拱肋合龙后各控制 点的实测高程与控制高程之间的高程差 、 轴线偏位 均满足相关规范要求 ， 主拱 圈的应力和扣索索力 的 计算值与实测值基本吻合 。其施工监控计算 、 监测 方法可供钢筋混凝 土箱形拱桥主拱采用分段预制 、 缆索吊装施工时参考。 参 考 文 献 i E 2 姚 昌荣 ， 李亚 东钢 管 混凝 土 拱桥 线 形控 制 技术 研 究 J 公路交通科技 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 0 ) ： 6 7 7 3 3 方 明霁 ， 孙海 涛大跨度钢桁 架拱桥 的极 限承载力 研究 J 世界桥梁 ， 2 0 1 0 ， ( 4 ) ： 3 5 3 8 4 冯 云成 上承式预应力混凝 土刚性梁柔性拱桥静力分析 J 世界桥梁 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 1 ) ： 4 7 4 9 ， 6 4 5 毛伟琦大跨度 钢筋混凝 土拱 桥 吊装 施工 设计 J 桥 梁建设 ， 2 0 0 7 ， ( S 1 ) ： 1 8 2 1 6 洪流 ， 陈彬拱桥拱箱缆索 吊装 的施工控制 J 公 路交通技术 ， 2 0 0 4 ， ( 5 ) ： 8 7 9 1 7 李大康高 速铁 路 大跨 自锚上 承式 拱桥 施工 监控 I- j 桥梁建设 ， 2 0 1 1 ， ( 4 ) ： 7 1 7 4 E 8 唐鹏 ， 宫赛大跨钢筋混 凝土拱 桥主拱 圈施工 应力 监控i- j 山西建筑 ， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 2 1 ) ： 1 8 5 1 8 6 9 刘兴 臣大跨度 箱形拱桥 缆索 吊装施工 过程监 控( 硕士 学位论文) I- D 成都 ： 西南交通 大学 ， 2 0 0 8 1 O 涂 光亚 ， 颜东煌 ， 袁 明 ， 等多段悬臂 拼装 R C箱 形拱 桥施工 控制研 究 E J 中南 公 路工 程 ， 2 0 0 6 ， ( 8 ) ： 8 9 92 1 1 涂光亚 ， 颜 东煌 大跨度混凝土箱形拱桥采用斜拉扣挂 法多段悬臂拼装施工的施工控 制E C 第 十七届 全国 桥梁学术会议 ， 2 0 0 6 E l i童武元 ， 位东 升虎跳 门特大桥 施工 控制计 算分析 E J E 1 2 王君 ， 杨振伟 ， 王高彦高 速铁路 大跨钢管 混凝 土提 世 界桥梁 ， 2 0 1 1 ， ( 1 ) ： 3 8 4 l I 篮式拱桥施工监控 J 桥梁建设 ， 2 0 1 1 ， ( 6 ) ： 8 2 8 8 表 3第 2 肋 吊装时各工况扣索索力 k N 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 世 界 4 1 t - 2 0 1 3， 4 1 ( 4 ) E 1 3 邹 中权 ， 贺国京 ， 吴再新 ， 等大跨拱桥吊装施工线形控 制计算方 法研 究 J 公路 交通科 技 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 2 ) ： 7 8 8 2 1 4 陈金州 ， 牛清勇 ， 袁宏波钢箱拱 桥施 工监控数 据处理 与分析 系统 的 开发 J 桥 梁建 设 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 1 ) ： 7 1 7 7 ( 编辑 ： 穆卓辉 ) Co ns t r u c t i o n Co n t r o l f o r Re i nf o r c e d Co n c r e t e Bo x Ar c h Br i dg e LI J i a n - h u a ( Ch i n a Ra i l wa y En g i n e e r i n g Co n s t r u c t i o n Co ，Lt d ，Be ij i n g 1 0 0 0 5 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：To e n s u r e t h a t a r c h b r i d g e s c o u l d u l t i ma t e l y r e a c h t h e i r i d e a l f i n i s h e d b r i d g e s t a t e ， t h e Li n g d o u Br i d g e wa s c i t e d a s a n e x a mp l e Th e f i n i t e e l e me n t me t h o d wa s u s e d t o a n a l y z e t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b o x a r c h b r i d g e wh i c h h a d p r e f a b r i c a t e d a r c h r i b s a n d we r e c o n s t r u c t e d b y c a b l e ho i s t i ng e r e c t i o nThe l o a d b e a r i n g p e r f or ma nc e a nd de f or ma t i o n o f t h e s t r u c t ur e d ur i n g t he c o n s t r u c t i o n p r oc e s s we r e pr e di c t e d by t he r e v e r s a l c o ns t r uc t i o n no r ma l c o ns t r uc t i o n c o m p ut i ng m e t h o d I n t he c o ns t r ue t i on c on t r o l ，t he s t r e s s ，ge ome t r i c a l s ha pe of t he a r c h r i bs a nd t he c a bl e f or c e s of t he f a s t e ni n g c a bl e s we r e mo ni t or e d The r e s ul t s i nd i c a t e d t h a t t he v a r i a t i o n o f t h e a r c h a x i s d ur i n g t he h oi s t i ng o f t he a r c h r i bs w e r e c on s i s t e n t wi t h t he c o m p ut i ng r e s ul t s ，a nd whe n t he a r c h r i b s we r e c l o s e d，t h e d i f f e r e n c e b e t we e n t h e me a s u r e d e l e v a t i o n o f e a c h c o n t r o l l e d p o i n t a n d t h e c o n t r ol l e d e l e v a t i 0 n a n d t he o f f s e t t i n g o f t h e a r c h a xi s a l l m e t t he r e l e v a nt c od e r e qu i r e me n t s The s t r e s s v a l ue s me a s ur e d f r om t he t yp i c a 1 s e c t i on s o f t he m a i n a r c h r i bs we r e a p pr o xi m a t e t o t he c a l c u l a t e d va 1 u e s Th e me a s ur e d c a bl e f or c e s o f t h e f a s t e n i ng c ab l e s a nd t he c a l c u l a t e d v a l ue s we r e b a s i c a l l y a gr e e d He nc e，t he Li n gd o u Br i d ge r e a c he d i t s i d e al f i ni s he d br i d ge s t a t e Ke y wo r d s ： a r c h b r i dg e； b ox a r c h r i b； r e i nf or c e d c on c r e t e； c a bl e ho i s t i n g e r e c t i o n； s t r e s s； c on s t r u c t i o n mo ni t or i n g a n d e o nt r o l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m