钢管混凝土系杆拱桥施工控制研究

Ｖｏｌ．３9Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００8

建筑技术ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

··805

钢管混凝土系杆拱桥施工控制研究

吕宏亮

（中国人民解放军人民理工大学工程兵学院，210007南京）

摘要：在施工控制的各阶段在施工现场布置了应力和变形监测点，并根据监测结果与理论值的对比不断

完善施工控制措施。在满足整体稳定性要求的前提下，较好地控制了系杆、横梁、拱肋、吊杆的应力及变形，控制了施工中的结构行为，确保了大桥的顺利合拢，为钢管混凝土系杆拱桥的施工监控提供了参考和依据。

关键词：钢管混凝土系杆拱桥；施工控制；监控量测中图分类号：TU323

文献标识码：A

文章编号：1000-4726（2008）10-0805-04

CONSTRUCTIONCONTROLRESEARCHOFCONCRETE-FILLEDSTEELTUBULARTIE-BAR

ARCHBRIDGELVHongliang

(EngineerCollegeofEngineeringGorps，PLAUniversityofScienceandTechnology，210007，Nanjing，China)

Abstract:Thestresses(strains)andthedeformationmonitoringpointswerearragedduringthebridgecon-struction.Accordingtothecomparisonofmeasuredvaluesandcalculated,constructioncontrolmeasureswere

beingperfectedconstantly.Ontheconditionthatthestabilitymeettherequirement,thestressanddistortionoftie-bars,archribs,crossbeamsandtubularrodsweremainlymonitored,atthesametime,theconstructionstructuralbehaviorwerecontrolledandensuredthesuccessofbridge.Accordingtothestudyfocusedonthepaper,itwillbeprovidethereferenceandbasisfortheCFSTtie-bararchbridgeconstructioncontrol.

Keywords:concrete-filledsteeltubular(CFST)tie-bararchbridge；constructioncontrol；monitorandmeasurement

本工程钢管混凝土系杆拱桥全长513.42m，由主、引桥组成。主桥为单跨83m下承式钢管混凝土系杆拱桥，矢跨比1/5，拱轴线为二次抛物线。拱肋断面为双肢哑铃型钢管混凝土，截面宽0.75m，高1.8m，宽度和高度沿拱轴线保持一致。引桥全长431.4m，由预应力混凝土组合T形梁组成。

主跨桥面为22cm厚实心板，纵向搁置在横梁上。桥面板之间横向铰接，桥面主筋焊接，辅以22cm厚现浇混凝土接头及10cm厚防水混凝土桥面现浇层，构成桥面整体连续体系。桥面铺9cm厚沥青混凝土。吊杆将桥面系重量传递给拱肋，采用刚性吊杆。系杆为预应力混凝土箱型截面，截面宽1.2m，高1.8m。系杆预应力钢束张拉结合施工顺序分批张拉。

应力和变形；（3）分析钢管拱肋混凝土灌注时的最佳灌注顺序，并对灌注时拱肋的稳定性进行验算；（4）计算吊杆两次张拉时，系杆与拱肋各截面的应力变化；（5）分析各施工阶段系杆预应力束调整方案；（6）结合施工提出设计优化参考意见；（7）对施工工艺提出参考意见。

根据施工工序，划分以下七个阶段的构件截面应力进行监控，系杆预应力钢绞线分布如图1所示。

Ⅱ-Ⅱ

Ⅰ-Ⅰ

1施工控制主要内容

监控主要对象为系杆、横梁、拱肋、吊杆等，主要内

容包括：

（1）全桥设计图和施工方案进行复核；（2）建立准确的计算模型，跟踪计算各个施工阶段各控制断面的

收稿日期：200８-09-１9

作者简介：吕宏亮（1972-)，男，河北涿鹿人，中国人民解放军人民理工大

学工程兵学院，中国人民解放军63926部队，副总工程师，工程师。

图1

系杆预应力钢绞线分布示意

具体步骤如下：

（1）张拉系杆4N1，2N5预应力钢绞线；（2）张拉端横梁、中横梁2束预应力钢绞线；（3）浇筑拱肋下弦管混凝土、浇筑拱肋上弦管混

··806

建筑技术第３9卷

凝土、浇筑拱肋腹箱混凝土；

（4）张拉吊杆预应力至60t；（5）张拉系杆2N2，2N3，2N6钢绞线；（6）张拉吊杆至120t；（7）张拉系杆4N4钢绞线。

在上述各个相应的施工监控阶段，量测必要的参数，并根据施工实际情况做相应调整，增加有关监控工况。

控点的布置原则是对关键部位重点测试，并布置一定数量的校核测点。对其他部位，采用对比的方法，进行一般监控。

2.4吊杆应力监控

吊杆是系杆拱桥的主要传力构件，桥面荷载主要

通过吊杆传递给拱肋，吊杆能否正常工作，影响到整个桥梁的正常运营。吊杆索力测点布置分为A侧和B侧两部分（图5）。

21-2122-2223-232

2.1

桥梁施工控制具体实施方案

系杆应力监控

在A侧系杆（分为A侧和B侧)上选取端头(近1/8

处)、1/4跨、1/2跨、3/4跨4个截面，B侧系杆上选取端头、

1/4跨、1/2跨3个截面布置振弦式传感器，测试系杆的

应力变化，系杆应力监测截面示意图如图2所示。

4-45-56-617-17A侧系杆

18-1820-20A侧19-19B侧

1-12-23-3B侧系杆

图5拱肋变形监控测点布置示意

图2系杆应力监测测点布置示意

3

2.2

横梁应力监控

在系杆1/4跨处中横梁、1/2跨中横梁、3/4跨处中横梁上选取正负弯矩最大的截面进行应力测试，采用振弦式传感器进行测量。应力监测截面示意图如图3所示。

钢管混凝土系杆拱桥施工控制测试研究与有限元分析

有限元模型

钢管混凝土的拱肋由钢管和混凝土两种不同特性

3.1

的材料构成，分析时将两者换算成一种材料以进行模拟，单元选用BEAM4单元。吊杆模拟为二力杆，即仅在两端承受拉力，单元选用LINK10；桥面板选用

A侧系杆

端横梁南

8-8

9-910-1011-1112-1213-1314-1415-1516-16B侧系杆

北

SHELL43单元，横梁选用BEAM4单元。

结构构件的交汇区域，诸如拱肋与立柱连接段，拱座与立柱连接段，由两个或数个构件组成为一个刚度很大的区域--刚性区，如仍采用一般的力学模型，则无法真实地模拟这类区域的力学特征[5]。为了防止模拟失真带来计算结果误差，对构件的交汇区域进行特殊处理。分析时选用刚性材料法，即把此区域的单元单独进行剖分，通过增大材料的弹性模量来增加构件的刚度，材料的弹性模量按照真实值的15倍输入，这时构件交汇区的刚度相对普通构件则为一个刚性区域。

桥面铺装是车轮直接作用的部分，其作用在于防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板，除了保护拱桥系杆免受雨水侵蚀，还对车辆轮重的集中荷载起分布作用。由于桥面铺装为二期恒载，并不参与桥面系的结构受力，建立有限元模型时，仅考虑桥面铺装的平动质量和转动惯量，并不计入刚度。把桥面铺装的平动质量

图3横梁监测测点布置示意

2.3拱肋变形和应力监控

拱肋变形不仅测试拱肋的横向变位，且测试拱肋

在L/8、L/4、L/2、3L/4等特征点的标高，保证成桥阶段的轴线与设计吻合。

钢管拱肋应力监测截面示意图如图4所示，应力监

20-0221-2122-22A侧系杆

23-23B侧系杆

端横梁

17-1718-18图4拱肋监测测点布置图

19-19２００8年第１０期吕宏亮：钢管混凝土系杆拱桥施工控制研究··807

和转动惯量分配于桥面板当中，所以桥面板的混凝土密度不再是2500kg/m3，而是计入了桥面铺装的密度，

钢管混凝土拱桥的支座采用作用在节点上的约束模拟，在拱桥一端的支座处约束x、y、z三个方向的自由度，在另一侧的支座处约束x、z两个方向的自由度，以此模拟拱桥的实际受力状态。有限元模型如图6所示。

应力/（N/mm2）1.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5

1/8

1/4

监测截面

而此时转动惯量也和桥面铺装一起自动形成。

1/23/4

图9拱肋上部监测截面应力实测值与有限元分析值比较

图6有限元模型

3.2施工控制实测与有限元分析比较

取混凝土弹性模量Ec＝3.5×104N/mm2(C50)、Ec＝

0.5

0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5

0.15

0.30

0.45

监测截面

应力/（N/mm2）0.600.75

3.25×104N/mm2(C40)，钢筋弹性模量Es＝3.5×105N/mm2，

钢筋表面传感器及混凝土表面传感器测得的应力统一换算成同位置混凝土的应力，规定受拉为正，受压为负。

为节约篇幅，本文仅给出浇筑拱肋下弦管混凝土（阶段3）、张拉系杆2N2，2N3，2N6钢绞线（阶段5）、张拉吊杆至120t（阶段6）和成桥后的实测和分析结果。

图10

吊杆监测截面应力实测值与有限元分析值比较

浇筑拱肋混凝土时可发现，对于系杆和拱肋，除端头处分析值与实测值略有不同外，其他位置分析值和实测值相差不大。对于吊杆，总体实测结果与计算结果绝对值相差不大，但因支架未拆除而有限元模型中简化了支架和枕木结构，吊杆计算模式与实际工作状况略有差异，但误差仍在可接受范围内。

张拉吊杆时，个别吊杆钢束由于温度升高，预应力损失较大，内压应力减小较多。不考虑温度影响时系杆和吊杆应力实测结果与分析结果有差异较大，考虑温度变化影响后分析与实测结果趋于一致，表明温度对吊杆应力的影响较大。由此可见，有限元模型中针对特殊工况，例如预应力的损失，需要修改相应的仿真模

3.2.1阶段3、阶段5量测与分析

浇筑拱肋下弦管混凝土阶段由于支架未拆除，拱

架计算简图如图7所示。系杆、拱肋、吊杆部分监测截面应力实测值与有限元分析值的比较见图8至图10。

图7拱架计算简图

型，才能更精确用于实测结果的比较。

应力实测结果表明两阶段施工正常。

-4-6

应力/（N/mm2）3.2.2阶段6和成桥后量测与分析

图11～13给出了两阶段系杆、拱肋和吊杆部分监测

-8-10-12-14-16-181/8

1/4

监测截面

截面应力实测与有限元分析值的比较，表1为成桥后拱肋挠度实测值与分析值的比较。

张拉吊杆至最终张拉控制力（120t）阶段，根据系

1/2

3/4

杆、拱肋、吊杆各截面应力实测值和分析值的比较可知：张拉吊杆对系杆影响较小，拱肋端头第一根吊杆实际应为拉弯构件，分析时取为拉压构件，与实测结果略

图8系杆上部监测截面应力实测值与有限元分析值比较

··808

建筑技术第３9卷

3.3

-4-6

应力/（N/mm2）实测与分析结论

钢管混凝土拱桥施工阶段测试结果表明各阶段应

-8-10-12-14-16-18

1/8

1/4

1/2

监测截面

力正常，桥梁在弹性范围内正常工作，成桥后阶段拱桥从成型到沥青铺装层完成后主要控制截面应力实测和分析的比较如下。

（1）系杆1/2处上部，1/8处下部传感器埋于空腹部位，实测应力值与分析值相比偏大（理论值为实腹处），

3/4

但小于混凝土的极限抗压强度。随外部荷载的增大及时间推移，预应力损失加大，压应力减小。

（2）拱肋处由于拱肋与混凝土间有脱壳现象，实测值与理论值有所差别。所测应力远小于钢材的屈服强度，表明结构处于弹性状态。

（3）吊杆1、2受弯矩影响较大，与所布传感器位置有关，实测结果误差较大，但远小于钢材抗压强度，受外荷载作用后该部位受拉，压应力减小。

（4）实测拱肋挠度远小于分析值，说明桥面铺装参与工作，刚度比实际计算取用值大，对结构受力有利。

图11系杆上部监测截面应力实测值与有限元分析值比较

0-10

应力/（N/mm2）-20-30-40-50-60

1/8

1/4

1/2

监测截面

3/4

4结语

本文以实际工程为背景，制定了施工控制方案并

图12拱肋上部监测截面应力实测值与有限元分析值比较

建立了有限元理论分析模型，计算了桥梁各施工阶段

0-10

应力/（N/mm2）控制截面的理论应力和变形并与监测结果进行了对比，控制了施工中的结构行为，得到主要结论如下：

（1）施工控制各阶段有限元分析值与现场测试结果趋于一致，验证了施工控制方案的合理性，施工控制过程中较好地消除了参数误差的影响；

（2）温度作为施工控制的特殊因素，对施工控制结果的影响较大，预应力张拉过程中结构产生较大次

0.15

0.30

0.45

监测截面

-20-30-40-50-60

0.60

0.75

应力，其随时间的推移不断减小，仿真模型需要考虑温度因素，才能更加精确的与实测结果进行比对；

（3）没有考虑桥面铺装影响的拱肋模型的挠度值大于实测拱肋挠度值，表明桥面铺装参与整体受力，对结构受力有利；

（4）稳定性验算验证了桥梁施工控制的可取。

参考文献

[1][2][3][4][5]

陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社，

图13吊杆应力实测值与有限元分析值比较

表1

测点位置

成桥后拱肋挠度实测值与分析值的比较

实测挠度ωe/mm

计算挠度ωc/mm

1/8

A侧

1/41/23/41/8

B侧

1/41/2

30.70259.31274.35564.10137.98660.27275.739

68.461126.005181.814126.00568.461126.005181.814

1999.

宋勤.重庆市綦江县虹桥特大垮塌事故的原因和教训[J].施工技术，

1999，（10）：54.

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宗周红，车惠民，房贞政.预应力钢-混凝土组合梁有限元非线性分析[J].中国公路学报，2002（13）.

有偏差。吊杆应力实测结果与理论结果趋于一致，应力实测结果表明该阶段施工正常。