大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装阶段施工控制技术的研究与应用

摘? 要: 大跨度钢管混凝土拱桥是一种自架设体系结构，结构的刚度是分阶段逐渐组合而成的，整个施工过程复杂，施工工期长。因此对桥梁施工过程的精确控制是实现设计成桥目标的关键。本文阐述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的架设方法、大跨度钢管混凝土拱桥吊装阶段施工控制的特点及内容、拱桥吊装阶段的监测内容和大跨度钢管混凝土拱桥施工控制吊装阶段结构计算的主要内容，并提出了以制作线形作为悬臂拼装过程中各工况目标线形的思想，并以此为原则提出了基于索力增量确定调索方案的方法。
关键词: 钢管混凝土拱桥；拱肋；吊装阶段；施工控制；
钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建设发展的新技术，具有自重轻，强度大，抗变形能力强的优点，是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。应该指出，跨径的增大与施工技术的进步是分不开的。钢管混凝土拱桥的施工方法本质上是劲性骨架方法，虽然钢管骨架较之钢筋混凝土轻许多，但随着跨径的增大，钢管本身的架设难度也越来越大。
一、钢管混凝土拱桥的拱肋架设方法
对于大跨度钢管混凝土拱桥钢管架设施工方法通常有：有支架施工法、转体施工法、大段或整体安装法、缆索吊装法四种。
（一）有支架施工法
对小跨径的钢管混凝土拱桥或某些钢管混凝土拱桥的边拱可采用有支架施工，该方法就是在桥位处先按钢管拱肋的设计线形和预拱度值拼装好膺架，于膺架上就位拼装焊接成拱的施工方法。由于钢管骨架重量比较大，将它就位于膺架上必须辅以一定的设备吊装，因此即使是有支架施工，也很少采用满堂支架，而采用少支架。该方法与缆索吊装法结合起来形成少支架简易缆索吊装法。对于跨径小于100m 的桥梁，基于经济性考虑没有必要架设塔架，可以结合浮吊、汽车吊等方式完成吊装。
郑州黄河二桥采用双线施工栈桥加跨墩龙门吊机并辅以少量支架的安装方案。工厂制造的钢管拱单元节段通过公路运输运送至工地组拼,单元节段拼装焊成吊装段,用组拼场龙门吊机将钢管拱吊装段吊装上栈桥装车,用轨道运输车将吊装段运送至施工点,最后用跨墩龙门吊机将吊装段吊装上桥安装合龙。钢管拱分三段吊装,合龙口设在拱中与拱顶段接口处。为调整拱肋预埋段的预埋偏差,同时考虑拱肋合龙温度变形和制造误差的影响,钢管拱在工厂制造时,拱顶与拱中段之间预留100mm 调整量。吊装节段之间先用法兰盘临时联接。拱肋合龙的锁定温度为10℃～15℃,合龙口位置法兰盘之间的间隙根据拱肋线型在合龙温度下反复测量合龙口间隙大小得到,根据合龙口间隙大小加设钢内衬套,在合龙温度下锁定,实现拱肋临时合龙,然后根据实际尺寸下料,焊接拱肋接头钢板,实现拱肋合龙。拱肋接头钢板焊接应在温度相对稳定的时间内完成。拱肋合龙后依次安装一字撑和K 字撑,拆除拱肋支架,形成钢管拱。
为便于拱肋精度的调整,采用吊挂式支架,该支架采用万能杆件组拼,支架下端支承在系杆梁上并采用精轧螺纹钢筋与系杆梁固定,支架上端设横向联接系,将三片支架连成整体,以增强横向稳定性。安装底部拱肋时,先用导链将拱肋上口临时悬挂定位,再通过收放导链精确调整拼接口的空间位置,然后锁定下口。安装中部拱肋时,先将左侧接口与底部拱肋连接,然后调整右侧接口空间位置。用同样的方法安装上部拱肋并选择在合适的温度下合龙。拱肋安装合龙后,焊接拼接口嵌补钢管,安装一字撑及K 字撑,形成完整拱肋。

图一? 吊挂式支架
除了郑州黄河二桥外，应用有支架施工法施工的钢管混凝土拱桥还有：塘沽彩虹大桥主桥、周家沟Ⅰ号桥主桥、广东深圳芙蓉大桥等。少支架施工法通常在拱肋离地面不高，桥下无水或水位不深，施工条件较好的情况下采用。这种方法的优点是拱肋分段长度不大，无需大型吊装设备，横斜撑容易安装，拱轴线形容易控制。不足之处是拱肋接头较多，焊接工作量大，工期较长，对桥下地基要求较高，膺架的沉降和变形必须事先算好，最好能在膺架顶部设置微调装置，以便在拱肋的安装过程中发现问题及时调整。支架法只应用于小跨径、不通航 、水深较浅的地方，而且费工费时费支架，在大跨径桥梁中已基本不用。
（二）转体施工法
转体施工方法是近年来在钢管混凝土拱桥施工中得到广泛应用与迅速发展的又一技术。竖转法、平转法都有采用，而且出现了竖转加平转相结合的施工方法，转体重量也有了极大的提高（广东佛山东平大桥转体重量已达14000T），转体施工技术已进入新的发展阶段。
竖转法首先在国外出现，它是将拱肋竖向拼装或浇注然后放下合龙的方法。我国在应用竖转法时，拱肋是在低位浇注或拼装，然后向上拉升达到设计位置，与国外的下放法相比，提升法为竖转法适用于更大跨径和与平转法相结合提供了可能。
竖转法的技术关键为旋转系统、起吊平衡系统和扒杆地锚系统等。莲沱大桥和新安江望江大桥的旋转系统都采用了所谓的旋转角和靠山角，二者均用钢板在工厂配对旋压而成。旋转角和靠山角相当于水平转体的球铰，是转体的关键技术，加工和安装精度都要求较高。平衡系统主要包括吊攀、平衡梁和慢速卷扬机等。吊攀的安装位置和角度均需根据拱肋的受力、变形和转动角度而定。平衡梁主要是保证竖转过程中，两拱肋同步上升，不发生扭转。扒杆应有足够的强度和刚度，后缆风应受力均匀，防止扒杆扭转。为了确保合龙顺利，可在一个半拱的合龙端设置一锥形导管，以实现自动对位。在拱肋合龙后，应及时焊接接头，封固拱脚，使之变为无铰拱。这些都是竖转法施工中应注意的关键技术。对于跨径较大的钢管混凝土拱桥采用竖转法施工时，由于钢管拱肋自重较大，悬臂较长，要求牵引力较大，牵引索较多，有时除了悬臂自由端拉索外，还要增加拉索的组数，采用传统的卷扬机则无法多索同步受力，而应采用千斤顶液压同步提升系统。
（三）大段或整体安装法
随着先进吊装设备的出现和吊装能力的增强，长大段吊装成为大跨度拱桥施
工的趋势。为此，在条件允许的情况下或因施工环境的原因提出了大段安装方法
以及整体安装方法。以下以京杭运河特大桥为例介绍该施工方法。
京杭运河特大桥是(无)锡宜(兴)高速公路中的一座特大型桥梁,位于锡宜高速公路K10+328.123 处(桥梁中心桩号),全长1028m,共43 跨。主桥跨越河面宽度80m的京杭大运河,其结构体系为钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥,跨径为90m,拱轴线为二次抛物线,矢跨比为1/5 ,矢高f =18.10m。设计荷载:汽车超20 ,挂车120。拱肋在端部10m 由圆端形截面变成哑铃形截面,由两根Φ 1000 mm ×14 mm 的16Mn 钢管组成,高2.15m ,宽1.10m。钢管和腹板内灌筑C50 无收缩微膨胀混凝土,拱脚外包高3.10m、宽1.16m 的实心截面C50 混凝土。两拱肋间设五道一字形风撑,以保证拱肋的横向稳定。
先把单根拱肋在工厂分四段加工制作,在车间拼装平台上进行试拼,使其轴线、平整度及对接接头尺寸符合要求后汽运至桥头北岸,汽车吊卸车后,在现场的拼装平台上再组拼成1/2 拱肋(单段吊装重约43T)。用两台起吊能力50T、扒杆高度40m 的1 号浮吊和2 号浮吊就位南岸拱肋,待拱肋下端与拱脚临时铰接后,前端2 号浮吊继续吊着拱肋,并撤出1 号浮吊,然后再用1 号浮吊和3 号浮吊将北岸另一段1/2 拱肋吊运至孔位处与其对接。对接时先将下端与拱脚铰接,再空中对接,待空中调整好接头位置时立即对其锁定,最后调整临时拱脚接头,使拱肋轴线、高程符合设计要求,系好两侧侧向缆风绳,浮吊缓缓松钩。待两根拱肋全部就位后立即设置三道临时风撑,并安装永久风撑,保证其横向稳定性。
采用浮吊分两段吊装的方法,缩短了施工工期,保证了施工质量,减少了河道的封航时间,节约了工程成本,提高了经济效益。


图二 拱肋纵断面图（单位：cm）
除了京杭运河特大桥外，应用大段或整体安装的施工方法的钢管混凝土拱桥还有广州市解放大桥、南京栖霞大桥、江西南昌生米大桥、丹东月亮岛大桥等。大段或整体安装方法特别适应于条件恶劣的施工环境中,如海上施工等,对于经济条件和吊装条件允许的地方也可以采用该方法以加快施工进度。随着跨度的增大,此方法将成为以后钢管混凝土拱桥施工的趋势。
（四）缆索吊装法
钢管混凝土拱桥跨径超过百米后，可采用缆索吊装法。缆索吊装施工法是根据缆索吊机的吊装能力，将拱肋分段预制，由缆索吊机先将两拱脚段吊装到位，并用扣索将其固定，再依次吊装其余各段并与先吊段对接直至吊装完毕。缆索吊装中又有三种方法，一是无支架缆索系统悬臂扣挂法；二是少支架分体吊装；三是整体吊装。这里指的缆索吊装特指第一种方法，即无支架缆索系统悬臂扣挂法，该方法是缆索吊装方法里使用最多的方法，特别是特大跨径的桥梁结构都采用该方法施工，从而达到经济性、可靠性和可行性的要求。
对于跨径较小的钢管拱桥，钢管骨架一般分为三段、五段或七段，吊装重量一般仅几十吨，采用钢丝绳扣挂。当跨径较大时，由于钢管拱肋节段多，重量大，因此需对传统的缆索吊装方法进行改造与创新，采用一些新技术，新工艺。在主跨为312m 的广西邕宁邕江大桥中，钢管劲性骨架分九段制作安装，最大节段重达59T，传统的卷扬机钢丝绳斜拉扣挂悬臂系统设备较多，拉力大，调整困难，施工难度大。因此在该桥的施工中开发研究了千斤顶、钢绞线斜拉扣挂悬臂架设法及合龙松索技术，以千斤顶张拉系统实现钢管骨架标高调整时扣索的张拉和抬放。
采用钢绞线或高强钢丝作为扣索，两端用锚具固定，其工作状态近似于斜拉桥的斜索，比起传统的钢丝绳，工作条件好，材料节省，同时不论组成扣索的钢绞线有多少根，均可单根收放。由于采用了钢绞线斜拉扣挂拱肋，多节段拱肋的悬拼过程中，除了拱脚采用铰接（对于特大跨径拱桥，也可以悬拼到一定长度后固结），其余各段之间均可采用固结，最后形成多次超静定的空间结构，提高了施工过程中的面内稳定性。采用钢绞线斜拉扣挂技术还可以用于调整灌注管内混凝土时钢管劲性骨架的内力与变形，合龙采用合龙松索技术，使合龙的难度与拱肋分段吊装的段数无关。
二、钢管混凝土拱桥拱肋吊装阶段施工控制的特点及内容
对于大跨度钢管混凝土拱桥而言，在空钢管成拱阶段的施工控制中，影响控
制的主要因素是空钢管成拱的方式。通常成拱方式有两种：一是转体法；二是缆
索吊装斜拉扣挂法。对于转体施工，在成拱前拱圈结构已形成，结构在离支架的
状态要特别予以注意，在转动期则重点在于状态监测、合龙时机以及需否作技术
处理。这些因素对形成拱后的受力状态影响较大，必须作好控制。对于斜拉扣挂
法施工，在吊装过程中拱段几何状态（轴线长度）难以改变，需对拱段无应力加
工状态作出正确预测。拱肋的线形是通过多段拱肋在空中组装形成的，调索方案
的确定，拱段的精确定位，在什么样的状态下进行拱段接头的处理以及处理到什
么程度（固结还是铰接）将直接影响成拱状态。
大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装阶段施工控制的目标是保证施工中的安全和
成拱内力与线形尽可能的满足设计要求。对于采用斜拉扣挂悬臂拼装法施工的大
跨度钢管混凝土拱桥空钢管成拱阶段施工控制的主要内容应是：1）预制拱段无应
力几何状态的确定与控制；2）拱肋吊装和合龙前、后各接头的标高、拱肋中线、
各拱段扣索力、扣塔偏位的控制。总的控制原则是：在确保拱肋稳定的情况下，
采用变形与应力双控，以变形控制为主，兼顾应力。
各阶段的控制方法主要有：1）通过改变扣索的张拉力来实现拱段接头标高的
调整；2）通过拱段定位标高调整无应力制造线形；3）通过设置足够的浪风索来
调整和控制拱段就位时的中线位置，约束拱肋合龙时的横向偏移，减小成拱的自
由长度，增大横向稳定性，约束外力作用下拱肋的横向位移。
控制手段主要还是施工过程中针对确定的吊装方案的结构受力、变形和稳定模拟分析为基础，通过对施工中天线垂度及索力、塔架位移、拱肋中线、高程、应力等的跟踪监测，理论计算与实测值的比较和误差分析、调整，来对结构状态甚至施工方案进行必要的调整，使施工及结构状态处于控制中。
三、拱肋吊装阶段的监测
施工监测是大跨度钢管混凝土拱桥施工控制的基础，大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程复杂，影响其施工控制目标顺利实现的因素很多，在施工中必须对重要的结构设计参数和状态参数进行监测，以获取反映实际施工情况的数据和技术信息，不断根据实际情况修正原先确定的各施工阶段的理想状态，使施工状态始终处于控制范围之中。
施工一个拱段称为一个阶段，为了改善施工过程中的钢管混凝土拱肋的受力，主拱圈合龙前每阶段分成二个工况：1）吊装拱肋节段到位，确定前端标高，连接接头拧紧；2）安装缆风索和扣索，逐步松掉缆吊索，调整扣索索力至控制值，检验拱肋节段前端定位标高。如果标高、塔偏不能满足控制要求，则调整当前段扣索、背索索力值，必要时调整连接接头转角，再次测量前端定位标高、塔偏，直至满足控制要求。
四、拱肋吊装阶段施工控制结构分析计算
大跨度钢管混凝土拱桥施工控制吊装阶段结构计算的主要内容有：钢管混凝土拱肋的制作线形、施工状态下状态变量的理论数据和施工控制数据理论值。钢管混凝土拱肋的制作线形等于设计线形加上预拱度值，预拱度值由正装计算所得累计位移反号所得。对于拱段接头转角可以微调的情况，拱肋的制作线形可按成拱线形定。空钢管拱肋控制线形=制造线形（设计线形+预拱度值）－空钢管无铰拱自重挠度曲线。
施工状态下状态变量的理论数据主要包括各关键截面的应力，各关键点的挠度、标高，各阶段的扣、背索索力等。
施工控制数据理论值主要指施工控制过程中下达施工控制指令值，主要包括：
扣索张拉索力、拱肋节段的安装定位标高、扣塔塔顶偏位等。
五、钢管混凝土拱桥的调索方案
对于采用缆索吊装斜拉扣挂法施工的大跨度钢管混凝土拱桥，通常有两种调索方法来保证空钢管实际成拱线形满足设计要求，一是一次张拉法，即每个节段安装时只张拉当前索，但每个节段定位时需要给定该节段的标高预抬量，通过在节段的上弦或下弦设置垫片来实现，空钢管合龙去扣索后刚好达到目标线形，这种方法关键是标高预抬量需计算精确，否则去扣索后实际线形与目标线形的吻合程度将达不到设计要求，线形控制难度较大；二是通过特定的调索方案，在斜拉扣挂直至空钢管合龙的过程中，始终以制造线形作为目标线形，在制造线形的基础上不另设预拱度，也不调整各拱段之间的转角，空钢管合龙去扣索后刚好达到目标线形，这样施工过程中线形理论数据就是制造线形，不需随工况的不同而不一样，主拱的内力分布也合理均匀，线形控制相对简单，但索力的调整方案就比较复杂。第二种调索方案又可分为调整当前两对索法、动态调索法和改进的动态调索法。调整当前两对索法适用于当前节段安装完成时与前一节段首先铰接，待下一节段安装完后再固结的情况；动态调索法是对所有已安装拱段的索力均进行调整，主要用于计算绝对零位移下的理论索力；改进的动态调索法是根据具体情况对部分已安装节段的索力进行调整，使各拱段的累计位移基本为零。按以上的索力调整方案可进行具体的索力计算，索力计算方法可以采用影响矩阵法。影响矩阵法的基本原理如下：
设{P}n为影响参数列阵， {S}m为状态变量列阵，在正装计算中分别让各参数发生单位变化，可计算出第j个参数P j对第i个状态变量S i 的影响量asij，从而得
到影响参数对某一工况状态变量的影响矩阵[A P S]m n× ，该种矩阵每一工况均有一个。如果该工况的状态变量实测值已获得，其值用{ S R}m 表示，而相应的理论值用
{ S L}m 表示，则状态变量误差为：
{ΔS} m ={ S R} ?{S L} ?????????????（1.1）
设待识别的参数误差为{ΔP}n ，则有
[A P S] m n×{ΔP} n = {ΔS} m???????????????????????? （1.2）
其中m> n ，这是一个矛盾方程组，可用最小二乘法求得其解：
[A P S]T[A P S] {ΔP}=[A P S]T{ΔS}????? （1.3）
对于一次张拉法，可把每个工况当前段的张拉力作为影响参数，计算影响矩阵的工况选为空钢管合龙去扣索工况，取该工况每个拱段前端的累计位移作为状态变量。可把主拱带扣索一次落架所得每个拱段的索力作为初张拉力，以此初张拉力进行正装计算，取空钢管合龙去扣索工况各拱段前端累计位移与该状态下设计累计位移的差值作为误差，解（1.3）式即可得每个拱段初张拉力的调整量。用张拉力的初值加上调整量即得每个拱段在安装时的张拉力。
对于动态调索法，可把每个工况所有已安装拱段的扣索力作为影响参数，计算影响矩阵的工况为当前拱段扣索张拉完成的工况，取该工况每个拱段前端的累计位移和塔偏作为状态变量。该工况所有已安装拱段的扣索力的初值可取为上一工况计算出来的扣索索力，以该索力进行张拉所得各拱段的累计位移值作为误差，解（1.3）式即可得当前拱段张拉时各根扣索的调整量。用各根索张拉力初值加上调整量即为该工况下所有已安装拱段扣索的张拉力。
对于改进的动态调索法，把计算所得的扣索张拉力与上一工况计算的扣索索力(即初值)进行比较，若索力变化量很小（小于10kN～15kN）,则该根索不进行调整。把剩下变化较大的索作为影响参数，重新进行以上计算，即得到该工况下需要进行调索的张拉力。
对于一次张法，只需进行一次计算即可得到各拱段的安装索力；对于动态调索法和改进的动态调索法，每个拱段的安装工况均需进行一次以上计算。用以上方法计算出扣索张拉力之后，均还需进行一次正装计算，检验各工况下的累计位移和塔偏是否满足事先确定的目标。
结论
本文介绍了施工过程中拱肋吊装阶段施工控制技术的研究与应用，提出在拱肋吊装阶段，以制作线形作为悬臂拼装过程中各工况目标线形的思想，并以此为原则提出了基于索力增量确定调索方案的方法，采用该方法在保证施工控制精度的前提下能最大限度减少调索次数，从而更好的指导了施工。
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