新建金台单线 铁路 156m 系杆拱桥 施工阶段线形 控制 技术

新建金台单线 铁路 156m 系杆拱桥 施工阶段线形 控制 技术

叶翰松

浙江省交通投资集团有限公司 浙江 杭州 310009

摘 要 在钢拱桥的建造过程中，施工过程中结构的受力性能(线形和应力)一直是设计和施工单位十分关注的重要问题^[1]。文章以金台铁路罗桥跨台金高速公路特大桥1-156m系杆拱桥施工控制为案例，通过采用迈达斯功能软件进行仿真模拟分析，对大跨度拱桥施工阶段变形、弯矩、线形等主要控制参数进行了计算，同时提出了重要工序控制提醒，并对理论计算与实际效果进行了对比。据此证明，文章所提及仿真模拟接近现场实际，数据真实可靠，其分析方法、控制措施可为类似工程施工可提供经验参考。

关键词 特殊结构 关键参数 监测控制

中图分类号 文献标识码

Monitoring and control of key parameters of 156m tied arch bridge in single-track railway during construction

Ye Hansong

（Zhejiang Communications Investment Group Co. , Ltd.. , Hangzhou Zhejiang 310009, China）

Abstract During the construction of Steel Arch Bridge, the mechanical behavior of the structure (linear and stress) is always an important problem concerned by the designers and constructorsTaking the construction control of 1-156m Tied Arch Bridge of Jintai Railway Luo Bridge over Jintai Expressway as an example, this paper simulates and analyzes the construction control of Jintai Railway Luo Bridge by using midas functional software, the main control parameters such as deformation, bending moment and line shape of long-span arch bridge in construction stage are calculated. It is proved that the simulation mentioned in this paper is close to the actual site and the data is true and reliable. Its analysis method and control measures can provide experience for similar engineering construction..

Keywords Special structure; Key parameter;Monitoring Control

1^ 工程概况

1.1 桥梁总体概况

新建金台铁路DK11+370.505~DK12+137.33处设罗桥跨台金高速公路特大桥，桥梁全长766.825m，本桥在DK11+687~846处跨越台金高速公路，跨度为单跨156m，与台金高速公路交叉角度为25°。

1 .2 桥梁拱部设计概况^[2]

图1 1-156m系杆拱桥全貌实景

罗桥跨台金高速公路特大桥系杆拱全长160m，计算跨径156m，拱轴线采用二次抛物线方程，矢高31.2m，矢跨比1/5。

桥梁采用群桩承台基础，桩径为 1.5m，最大桩长29.5m；承台尺寸为 13m×10.8 m×3.5m。 墩身采用圆端形实体墩，10#墩高为 12m，11#墩高为 8.5m。

系梁采用单箱双室预应力混凝土箱形截面， 顶宽 11.6m，梁高 2.5m， 底宽 10.4m。底板厚度为 0.3m，顶板厚度为 0.35m，边腹板厚度为0.6m， 中腹板厚度为0.4m。

拱肋采用钢管混凝土哑铃型结构，拱肋中心横向间距9.6m，高3.4m，由上下两直径为1.2m 的钢管和腹腔组成，管壁厚 20mm，拱脚附件局部区域壁厚 24mm，拱肋钢管及腹腔内灌注 C50 自密实补偿收缩混凝土。

吊杆顺桥向间距7.0m，全联共设置 19 对单吊杆，吊杆采用 PES(FD)7-127 型低应力防腐拉索外套复合不锈钢管。

系梁采用 C50 混凝土，拱脚采用C50 纤维混凝土，拱肋及腹腔内灌注 C50 自密实补偿收缩混凝土。
纵、横向预应力体系采用低松弛高强钢绞线，标准强度 fpk=1860MPa、公称直径 15.2mm、公称截面积 139mm2， Ep=1.95×105Mpa。
竖向预应力采用φ32 预应力混凝土螺纹钢筋，预应力混凝土用螺纹钢筋抗拉强度标准值为 830Mpa，锚下张拉控制应力为 747Mpa。

锚固体系采用 JLM-32型锚具；张拉体系采用 YC60A 型千斤顶。采用φ内51mm 铁皮管制孔， 施工时应采用二次张拉工艺。

吊杆采用PES(FD)7-127平行钢丝，抗拉强度标准值为1670MPa，疲劳应力幅 150 MPa。锚具采用 LZM7-127 冷铸锚，吊杆采用双层 HDPE 保护层。
主梁采用 TJQZ系列球形刚支座，每个桥墩设两个 35000KN 级，10#墩设纵向固定支座。

1.3 主要技术标准

⑴铁路等级：I 级
⑵正线数目：单线
⑶系杆拱梁面坡度：7.8‰
⑷主系梁自重：γ=26.25KN/m；钢管内混凝土自重：γ=23KN/m
⑸二期恒载 q=97.745KN/m

2 施工方案

本系杆拱采用先梁后拱的施工方法，主系梁采用碗扣式满堂支架现浇施工，跨越既有道路部分采用条形基础加贝雷门洞结构施工，属于组合支撑结构体系。
主系梁横桥向一次浇筑，纵桥向分3段、2个合拢段施工， 即先施工两边段梁，再施工中段梁， 最后主系梁合拢。

系梁施工完毕后，在系梁桥面搭设临时拱架，在其上安装空钢管拱肋及横撑，拱肋泵送管内混凝土。 待拱肋混凝土达到设计强度后 拆除系梁桥面临时拱架，安装并张拉吊杆，施工桥面等二期工程。
总体施工顺序为：下部结构施工→系梁施工→上部钢管拱拼装→拱内混凝土浇筑→拆除拱肋支架并张拉拱脚竖向预应力→吊杆安装并张拉→张拉第二批纵向预应力→拆除梁部支架及临时支撑，完成系杆拱体系转化→桥面系施工。

3 施工监控原则

为了确保成桥后结构受力和线形满足设计要求， 施工控制主要为线形控制与内力控制。
⑴线形控制
线形控制包括线型控制（标高和平面位移） 以及施工过程中的结构变形规律两个方面。前者主要设置预拱值，为结构施工立模、拱肋拼接提供合理的预拱度，使得成桥后系梁标高、拱轴线与设计一致。后者主要是监测施工过程中各控制点的变形规律，以便分析桥梁结构状态。
⑵内力控制
系梁和拱肋的内力控制就是控制桥梁在施工过程中以及成桥后的应力，通过监测点的应力变化， 了解桥梁的受力特性。

本桥施工监控中对吊杆的张拉力、张拉顺序以及张拉过程、张拉以后的各个施工状态进行监控，成桥后的张力满足设计要求、施工过程中结构始终处于安全状态。

4 施工阶段监测控制主要内容

根据设计文件，结合施工方案，在施工阶段主要对以下几个方面进行监测控制：
⑴根据施工方案进行结构仿真计算分析；
⑵施工期间根据理论计算、标高实测结果、 拱轴线变形情况，通过变形误差分析，预测后续工序的变形，并提供每个阶段合理的预拱值；
⑶通过对结构变形以及关键截面的应力监测， 评价系梁结构、拱肋结构安全；
⑷为施工中的吊杆张拉提供张拉数据，并监测张力变化过程。
⑸成桥后桥梁线型检测。

5 监测控制数据计算

根据施工方案与相关规范，采用迈达斯功能软件，按照杆系结构模型进行施工过程的仿真模拟，其过程如表1所示。

表1 施工监测控制过程仿真模拟

5.1 结构变形计算

按照设计要求吊杆张拉过程为：吊杆对称初张拉（每次四根），张拉顺序为 6\6’、10、 2\2’、8\8’、4\4’、1\1’、5\5’、9\9’、 7\7’、 3\3，吊杆设计位置参照表2与图2,。

根据设计文件，按照①吊杆张拉②第一批纵向预应力张拉③拆除临时支架④ 活载作用下系梁位移计算结果⑤张拉第二批纵向预应力⑥10年收缩徐变等10余个重要工序，分别对系梁、拱肋等结构变形进行分析计算，根据计算结构果显示，在吊杆张拉阶段、支架拆除阶段，其弯矩达到最大，应该加强施工控制。

5.2 拱肋结构弯矩计算

拱肋空间体系受力复杂，各施工阶段内力、应力、位移变形变化频繁.......^[3] ,据此对拱肋结构弯矩进行仿真模拟计算，根据计算结构，对于最不利工况进行加强措施，确保施工安全，结构符合设计文件要求。

根据计算结构果显示，在吊杆张拉阶段、支架拆除阶段，其弯矩达到最大，应该加强施工控制。

5.3 吊杆张力计算

根据施工过程的结构仿真分析， 成桥后的吊杆张力计算如图2所示。

图2 吊杆张拉力计算结果图

计算数据与设计数据对比结果如表3所示，结果符合设计要求，可按此组织施工。

表2 施工阶段结构变形数据计算

5.4 施工过程中系梁应力计算
根据施工过程的结构仿真分析，按照①安装拱肋根部钢管、 永久支座、 浇筑系梁②第一批纵向预应力张拉③解除拱肋临时支架④ 张拉吊杆⑤张拉第二批纵向预应力⑥10年收缩徐变等21个重要工序，分别对系梁的上翼缘应力、下翼缘应力进行分析计算，结果显示：⑴在“安装拱肋根部钢管、 永久支座、 浇筑系梁”阶段，其应力值达到最大；⑵桥面铺装完成后10年时间内，其应力值基本趋于稳定。

5.5 预拱度计算

仿真模拟计算时，只考虑了某截面：⑴在桥梁施工过程以及收缩徐变过程的累积变形； ⑵1/2 设计活载作用下结构最大变形的 50%；⑶二期恒载施加后的变形。

按照上述原则计算，参照设计拱轴线方程为^[4] y=0.8x-x²/195，系梁施工支架在跨中处设置26.15mm预拱度，拱肋在跨中处设置2.97mm预拱度。

在实际施工时需包括支架变形，根据实际的支架变形状况随时适量修正立模标高，使得结构始终处于最理想的线形状态。

6. 
   

7. 施 工监控的测试内容以及测点布置
   6.1 监测内容
   根据工程主桥的考虑到施工控制目的，在施工阶段对以下工况下结构的变形和应力进行监测：
   ⑴立模、 绑扎钢筋；
   ⑵每次系梁和横梁混凝土浇筑前后；
   ⑶钢管灌注混凝土过程；
   ⑷每次预应力张拉前和后；
   ⑸每次吊杆张拉前后；
   ⑹ 成桥以后的结构应力和线型。
   对于支架上施工的钢管混凝土拱桥， 需要监测的项目主要有：
   ⑴系梁和拱肋关键截面的应变、 温度；
   ⑵系梁和拱肋的线型（拱轴线）、变形；
   ⑶吊杆张力等。
   6.2 应力应变监测
   根据本施工方法和结构受力特点，测试断面选用应力最大、能够反映施工过程受力特性的关键断面。对于拱桥结构，系梁、拱肋以及横梁等受力较为不利部位关键截面，施工阶段对这些部位的应力进行跟踪监测。
   
   

图3 应力监测点布置示意图

根据结构的受力特性，各测点的位置图3所示，每个断面布置8个应力监测点，在应力测点处将同时对温度进行监测。

⑴ 主拱:拱肋的A、B、C截面，在截面上下缘布置应变计。
⑵系梁:系梁的D、E、F截面，在截面四个角点布置应变计。
5.3 线型（变形） 监测
线型（变形）监测包含系梁高程、拱轴线两部分内容，高程监测采用精密水准仪对系梁各控制点的标高进行测量，线型测量控制点沿梁端横向布置3点,同时可以测出系梁的扭曲程度。
为了掌握施工过程中桥梁线型变化,进行如下标高项目的测试：⑴系梁标高，⑵拱轴线，⑶短期温变对系梁线型及拱轴线偏位的影响，⑷荷载变化以及结构体系转换引起的结构变形。
系梁线形测点布置在系梁顺桥向布置7个测点位置，在顶面的边侧、中间处各埋设直径为 20mm 的钢筋，作为主梁的标高测点。拱肋测试采用全站仪，在拱肋上布置菱镜。

短期温差对结构变形的影响较大，在部分关键测点的标高和拱轴线进行连续观测，以掌握系梁线形及拱轴线偏位随温度变化情况。
6.4 吊杆张力监测
施工阶段的吊杆工作状态是影响桥梁将来的内力和线形的重要因素之一。具体实施时在各吊杆上端均设置一个光纤光栅压力环传感器，用于检测吊杆力。

在施加张拉索力时用标定好的千斤顶进行测量，在施工控制时，采用环境随机振动法进行监测。
6.5 温度监测
本桥因为在支架上施工，标高设定受到温度影响相对较小，利用振弦传感器同时具有温度测试的功能监测温度，温度测点与应变测点一致。

需要指出的是，合龙段施工是拱肋拼装的最后环节，也是拱肋线形控制的重点之一^[5] ，温度控制非常重要，应按照设计控制合龙温度。
6.6 支架立模标高以及误差调整
6.6.1支架立模标高
对于本桥，主要考虑以下几个因素：⑴设计标高；⑵自重作用下的变形；⑶预应力产生的变形；⑷吊杆张拉力产生的变形；⑸混凝土收缩、 徐变变形；⑹支架变形；⑺临时荷载产生的变形；⑻使用荷载作用下的变形等，实际操作时将以上数据累计相加即可。
6.6.2误差调整
在施工过程中，结构的实际状态并不总是与其理想吻合，桥梁结构的实际施工状态与理想施工状态总是存在着一定的误差。

在施工过程中，需不断对构件截面尺寸、材料弹性模量、收缩徐变系数、施工荷载、预加应力或索力等监测数据，进行分析、修正、调整，以便对施工过程进行有效控制。
7. 施工阶段关键项目监测结果
7.1 成桥吊杆张力实测结果
以左侧实测结果（见表3）为例，实测吊杆张力与设计值对比， 表明成桥吊杆张力与目标值吻合，满足设计及规范的相关要求。

表3 左侧吊杆张力实测结果（单位：kN）

7.2 成桥拱轴线实测结果

成桥拱轴线坐标实测结果如图5 所示， 结果表明， 拱肋线型平顺，结果满足设计要求。

图5 拱肋轴线实测结果示意图

7.3成桥桥面线型实测结果

成桥桥面线形实测结果如图6 所示，结果表明，系梁的线型满足设计以及规范的相关要求。

图6 系梁线形实测结果示意图

8 结束语

钢管混凝土系杆拱桥施工中,其施工过程要进 行多次体系转换^[6]，施工过程较为复杂，为保证其施工过程安全可靠，并使得施工成型结构满足设计状态，其过程中关键参数控制非常重要，文章以实际工程应用为例，通过采用功能软件仿真模拟，减少了施工误差，为正确施工提供了重要依据，其监测控制数据为后续运营监测可提供参考应用。

参考文献

[1] 赖允深，黄天立2. 大跨度钢桁架系杆拱桥施工监控技术研究 [J]. 城市道桥与防洪 ，2013（6）：149.

[2] 中铁第五勘察设计院集团有限公司.金台铁路罗桥跨台金高速公路特大桥施工图设计文件［Z］. 北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，2016

[3] 张兴春. 钢管混凝土系杆拱桥施工关键技术及整体稳定性分析[J]. 铁道建筑，2012（8）：5.

[4] 王冰. 金台铁路156 m简支系杆拱结构设计与分析 [J]. 铁道建筑，2019（12）：11.

[5] 李白林1，黄辉，贾建国 . 戴河大桥拱肋施工线形控制技术 [J]. 施工技术，2011（4）：78.

[6] 王治均，李年维，沈超明,李三珍 .钢管混凝土刚性系杆拱桥施工监控技术 [J]. 施工技术，2010（10）：63.

作者简介：姓名：叶翰松，性别：男，出生年月：1972年9月，民族：汉族，籍贯：浙江浦江，学历：本科，职称：教授级高级工程师
研究方向：交通桥梁工程施工技术管理与研究。

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