大跨度钢管混凝土拱桥施工控制研究_濮云.pdf

2023 年 4 月大跨度钢管混凝土拱桥施工控制研究濮云(中国铁建港航局集团有限公司第四工程分公司，重庆 400000)摘要:分析施工控制在大跨度钢管混凝土拱桥施工中的应用，探讨钢管混凝土拱桥施工控制方案的合理性。本文从各个方面考虑，详细分析了钢管混凝土拱桥施工控制误差的原因，并针对这些原因给出了解决方案，为大跨度钢管混凝土拱桥施工控制误差控制提供了理论上和技术上的支持。关键词:钢管混凝土;大跨度拱桥;施工控制文章编号:2095 4085(2023)04 0061 03钢管混凝土拱桥是近年来在我国发展的一种桥梁结构型式。该类桥的桥身强度大，重量轻，结构优美，具有较大的跨度且施工时间较短。它有效解决了桥梁在施工过程中的许多要求，如在理想的结构形式中，要求桥梁具备节约材料、安装便捷、施工简单、承载力大等特点。在实际施工中，用仿真的方法来可以初步确定桥梁的预制高度、位移和挠度，但如果将仿真的参数直接应用于桥梁施工中，不一定会达到预期效果，因此，在实际施工中，有必要进行施工监测，以便及时调整桥梁的内力和变形，确保桥梁的质量和安全。1大跨度拱桥的基本受力特性拱桥结构从物理受力的角度分析属于受压结构，拱肋部分所承载的全部重力都会通过拱脚部分传递到地面，以此作为支撑拱桥结构长期维持稳定的结构基础。从理论分析的层面上，轴向力、正弯矩和负弯矩的承受单位是桥梁的主拱全截面、拱脚和拱顶。由于受力部分被各个结构分散出去，极大缓解了单一部分受力过重的情况，使得拱桥结构本身能够长期维持安全运行，这在古代石拱桥建筑能够大量保存至今一点可见一斑。值得注意的是，拱桥面是同时承受轴向力和弯矩的。轴向力的存在很容易被理解，由于桥面自身的形状设计使得桥面的负载传递到桥梁时会分散成一种推力，极大减轻了垂直方向的承载负担。弯矩的概念则相对不好理解，而关于弯矩的讨论也要根据不同的桥梁结构进行分开讨论。需要考虑的变量包括矢高、矢跨比、跨径和荷载等。当荷载相同时，桥梁只承受弯矩;当桥梁矢跨比不同时，桥梁则还需要承受轴力。2大跨度钢管混凝土拱桥的设计钢管混凝土设计是近些年发展起来的一种创新施工设计方案，该创新设计方案的初衷是为了解决钢筋混凝土设计的弊端，用强度更高、重量更轻的钢管混凝土代替钢筋混凝土，既能够实现桥梁跨度的提升，又可以全面提升工程质量和控制工程成本投入。更值得重视的优势在于，钢管混凝土材料在施工过程中可以采取分段构建组装的形式进行，这对于大跨度网架结构桥梁工程而言无疑是一种极为理想的施工方案。因此，近些年各种类型网架结构拱桥的设计和施工中都普遍使用钢管混凝土方案。对于钢管混凝土拱桥而言，主拱部分主要以箱形截面为主，且主拱肋通常被设计成等截面。本文以某长江大桥的实际案例为参考。该拱桥的拱肋高为 7m，宽 16m，主拱截面形状为三箱结构，顶底板厚度40cm，侧板厚 30cm。值得参考的设计经验主要有两点:一是主肋结构的纵向混凝土设计中，使用“六工作面”的施工方案。该部分的构件通过长江运送到施工部分附近的码头，借助缆索吊装施工;二是拱箱部分的设计中，主拱使用三箱式断面结构，中间箱形的顶底板采用厚度 40cm，侧板厚 30cm 的设计。这样的设计方案并不同于传统的设计规范，但是在该案例中却能够满足其施工需要1。在使用混凝土材料进行施工时，混凝土的安全系数为 2 0，这与钢材施工 1 7 安全系数之间存在较大差异。因此，在钢管混凝土的设计方案中一般采用极限状态法，重点考虑套箍效应对拱桥受力的影响。根据大跨度钢管混凝土拱桥施工案例的数据分析(如表1 所示)，大跨度拱桥的矢跨比一般为 14 16。表 1 大跨度钢管混凝土拱桥施工案例的数据分析桥梁名称主跨/m结构形式拱助形式矢跨比拱顶(拱脚)高度/m拱助宽度/m支井河大桥430无铰，上承式桁架15565(13)17南宁永和大桥349 5无铰，中承式桁架1458(17)20 5丫髻沙大桥360无铰，中承式桁架1454(8)35 9163大跨度钢管混凝土拱桥施工工艺现阶段我国基础设施建设工程中，拱桥建筑的跨度一般都维持在 300m 左右的水平，且施工环境普遍在大峡谷或者跨度较大的江河上。因此，重点讨论无支架施工的方式显然更具有现实意义。对无支架施工而言，主要有以下几种实施方案。3 1缆索/悬臂吊装施工缆索/悬臂吊装施工是大跨度桥梁工程中极为常见的一种施工方式，主要是借助缆索和起重机械悬臂进行相关预制构件和建筑原材料的搬运和升降工作等。随着起重机工作负荷吨位的增加，该施工方案的施工效率和承载工程能力也得到了极大提升。在实际施工过程中，不仅需要起重机帮助进行重物运输，还需要有扣索系统的配合，共同完成不同架构拱桥的建设工作。在实际建设案例上，日本的空港大桥、美国的新河谷桥都是采用了这一施工方案，我国的支井河大桥也应用了这一施工方案。经过不断的实践探索，现阶段已经对扣索系统进行了一系列优化升级，进一步满足不同工程的施工要求。3 2转体施工所谓的转体施工，就是在拱肋部分已经完成初步拼装后，借助机械力量进行部分转体操作进行桥梁施工的一种手段。在具体操作细节上，还分为平面转体和竖直转体。竖直转体的施工方式由于受到桥梁结构长度、跨径等因素的限制，应用范围相对较窄。因此，在大跨度拱桥施工中通常采取平面转体的方式进行。在施工顺序上，主桥的钢管桁架结构会采取分段制造的方式进行并保持分段状态进行运输。各个单元在施工现场进行组装与焊接。为了保障整个生产和建设过程的安全性，要在构件的保存上做到谨慎细致，且尽可能避免高空构件组装和焊接的情况出现。3 3钢管内混凝土灌注施工钢管内混凝土灌注通常使用从拱脚到拱顶，两端对称压注的方式进行施工灌注，在灌注过程中，需要考虑液态混凝土的自重作用以及对钢管的液压力作用，而且灌注期间由日照引起的非线性温度场也不可忽视，近年来已有学者对混凝土浇筑过程的温度影响进行了初步研究。钢管混凝土拱桥技术规范从混凝土材料的工作性能方面考虑到温度对混凝土浇筑过程有不容忽视的影响，规定混凝土浇筑时的环境气温应大于 25，而当泵送顶升环境气温高于 30 时，宜采取措施降低钢管温度。在理论研究方面，国内外学者从混凝土浇筑过程中的温度分布规律以及对结构性能的影响方面也进行了研究。林春姣在核心混凝土浇筑阶段对一根圆截面钢管混凝土拱模型的温度场和温度效应进行了试验观测与数值模拟，得到了混凝土水化热引起的结构残余内力，并对计算合龙温度进行了计算;赵福利研究认为泵送混凝土施工应在气温不高的时段开展，以保证混凝土坍落度要求;同时他还指出混凝土灌注过程中，钢管拱肋是唯一受力构件，通过分析日照温度与混凝土自重荷载作用下的结构响应，发现日照温度作用对钢管受力和线性影响较大;李刚推测钢管混凝土在现场气温高于浇注气温 10 15 时会存在脱空现象，尤其是在低温条件下正常浇注的钢管混凝土将会在多数时间内存在脱粘现象;安欣通过研究认为决定计算合拢温度的主要因素是混凝土强度形成过程中的环境温度以及管内混凝土水化热的大小;韩连涛认为在钢管混凝土拱桥施工时先合拢空钢管，后灌注混凝土，截面刚度和强度是逐步形成的，其合龙温度取混凝土强度形成时的温度。因此，在温度对混凝土浇筑的影响方面，研究者围绕脱空，普遍认为混凝土浇灌时需考虑环境温度的影响，并给出了合龙温度取值建议，但超大跨钢管混凝土拱桥浇筑周期长，浇灌时即经历骤变温差与水化热的复杂影响，此亦为西部山区超大跨钢管混凝土拱桥发生脱空的主要原因。3 4钢管混凝土空隙、空鼓钢管混凝土拱肋由钢管混凝土构成，管内灌注混凝土。由于施工工艺和质量问题，极有可能是管内混凝土没有压实或与无缝钢管没有紧密结合，即出现缝隙、壁空鼓。缝隙是由于无缝钢管拱内混凝土的聚集造成的，关键是在无缝钢管拱的顶部。无缝钢管拱内壁空鼓的关键位于无缝钢管梁端部与下圆钢管的交界处。水下混凝土工程施工过程中由于水口造成的墙体26空鼓现象也很普遍，尤其是锚垫板下钢筋图比较密的时候(比如上面的 ps 笔选用 P 型锚杆时)，一些混凝土的缺陷会导致更高的损坏。可以采用以下工程建设对策来控制钢管混凝土的缝隙和空心墙;增加混凝土砂浆的配合比，千方百计达到循环与抗混凝土离析的平衡，以适当的抗混凝土离析性能达到高循环。在有标准的情况下，优先选用自密实混凝土;当明确钢管混凝土有缝隙时，可在产生缝隙的地方钻二次后张法;锚垫下的钢筋图比较密。加强施工全过程监管，必要时采取辅助振动对策2。4大跨度钢管混凝土拱桥误差所采取的策略大跨度钢管混凝土拱桥通常以桁架为基础，是一种自承式桥梁体系结构。该结构采用无支撑缆索吊装或旋转施工方法，在桁架钢管拱桥上建造拱桥，然后铺设接头和悬臂，设置桥道，铺设桥体桥面，完成钢管混凝土拱桥的建设。和别的自架桥(斜拉桥等)不同，桥在竣工之后，不能再变动桥的结构线状和应力，也不能在浇灌阶段改变一定的标高，钢管混凝土拱桥的中轴线也只能做轻微改变。不同的施工方案、材料特性和施工工艺将影响桥梁竣工后的线形和应力。此外，施工实况与设计假设之间往往会存在差距。分析上述可能产生误差的原因，可以从以下几个方向来提高整个桥梁系统的计算精度。4 1计算参数的取值接近实际在设计建造大型结构和大规模构件时，应先在实践中预先进行收缩等对应检测并跟踪检测桥体来观测肋截面和横截面的尺寸和弹性指标，以及放置在肋段中的机器重量和位置、工作进度等，以便准确计算和预测变量的参数值并及时校正。在安装主拱肋前，需要先分析现有桥梁结构和状态参数。但有的时候施工条件并不是理想的，这就导致桥梁的质量参数和理想状态之间存在有差距。为了减少这种误差给桥梁建造造成的质量问题，将桥梁结构的实测数据结合在设计中，可以对拱肋布置的状态进行校正。4 2仿真计算与施工实施互相靠近模拟计算与设计计算不同。它不能照搬设计规范，但应以接近实际施工为基础。例如，设计时必须确保结构的安全性，仿真的目的是发现现有或未来会影响安全性的因素3。但我们不能把所有错误都归咎于计算不切实际的事实，测量数据本身的真实性和可靠性也非常重要。精细计算与科学管理、严格施工要求的紧密结合是提高模拟精度的保证。4 3减小环境影响主要是温度、阳光、风对肋骨本身和测量的影响。必须以年平均温度为基准，根据测量数据进行校正，不得在强光和强风下测量。为了消除太阳光和温度对测量的影响，最好从下午 2 点到日出对高程和索力进行观测4。4 4结构计算模型在工程实践和理论研究中，结构试验的对象多为实际结构。对于工程结构中的一部分如梁、柱、板、墙等。然而，对于整体结构，除了现场进行静、动荷载试验外，还需要进行比例结构模型试验。在设计空间精密框架拱桥时，应建立相应的三维模型，并考虑结构的几何非线性和材料非线性。5结语大跨度桥的建设是一项系统性很强的工程。在整个桥梁设计系统的过程中，设计只是一个目标，中途会受到很多决定性因素和不确定因素的影响。若能在施工阶段及时检测桥梁建设过程出现的问题，采用科学的控制措施预防事故可能出现的症状，及时发现桥梁的问题，就可以制定合适的预防措施，误差就能够被控制在一定范围内。准确、科学的施工控制方法可以有效保证钢管混凝土拱桥的质量和安全，显著延长桥梁的使用寿命。参考文献:1 陈宝眷 钢管混凝土拱桥设计与施工 M 北京:人民交通出版社，2000 2(英)鲍齐克著，凌云旦译 数字滤波和卡尔曼滤波 M 北京:科学出版社，1984 3 张金槐 线性模型参数估计及其改进 M 长沙:国防科技大学出版社，1999 3 4 刘宏才 系统辨识与参数估计 M 北京:北京科技大学出版社，1996 1036