京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工监控

张益多;鲍丽丽;张国云;唐柏鉴;王治均

【摘 要】Construction sequence of Beijing-Shanghai express railway steel pipe concrete tied-arch bridge cross Wuxi north canal is arch first and beam late, and the construction method of tie beam is hanging basket. The construction process is very complex and difficult. Preliminary work and principle of construction supervision with bridge superstructure are introduced in this paper. The contents of construction monitoring are expounded by linear fitting, stress monitoring of control section, temperature field monitoring, arch foot displacement monitoring, suspender force monitoring. Effect of the construction supervision of the bridge is good. This makes the bridge beam construction meet the design requirement. It can be used in other similar projects.%京沪高铁跨锡北运河钢管混凝土系杆拱桥采用先拱后梁顺序施工,系梁采用挂篮现浇施工方法,其施工工艺较为复杂,施工难度大.文中针对该桥上部结构简要介绍了施工监控的前期计算及原理,并从线形监测、控制截面应力监测、温度场监测、拱脚位移监测及吊杆力监测等方面对上部结构的施工监测内容进行了阐述和分析.该桥的施工监控取得了较好的效果,使施工满足设计要求,可为今后同类型桥梁的施工监控提供借鉴. 【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2011(025)003 【总页数】5页(P214-218)

【关键词】系杆拱桥;先拱后梁;施工控制;施工监测 【作 者】张益多;鲍丽丽;张国云;唐柏鉴;王治均

【作者单位】江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江212003;江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江212003;中交第二航务工程局有限公司,湖北武汉200080;江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江212003;江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江212003 【正文语种】中 文 【中图分类】U445.4

近年来,钢管混凝土系杆拱桥以其跨度大、结构轻、造型美、省建材等优点,被广泛应用于桥梁工程中,成为发展大跨径、轻结构的理想桥型,其施工工序可分为先拱后梁和先梁后拱两种方法.目前,国内采用先拱后梁施工方法的系杆拱桥较少,并且这些桥的系梁绝大多数均采用预制吊装[1-4],京沪高铁跨锡北运河钢管混凝土系杆拱桥采用了先拱后梁施工顺序以及系梁挂篮现浇施工方法[5],这在国内极为少见,这种施工方案不影响通航,但施工难度大、工序复杂,使得施工监控尤为重要.文中结合锡北运河桥的施工监控,较为全面的分析系杆拱桥的监控内容和方法,使成桥后的线形及受力状态符合设计要求. 1 工程概况及施工方案

锡北运河桥是京沪高速铁路徐州至上海段新建铁路桥梁.桥梁上部结构为钢管混凝土系杆拱,主桥结构体系为刚性系杆刚性拱,尼尔森体系柔性吊杆.主桥计算跨径L=96 m,拱轴线为悬链线,矢跨比为1/5,矢高19.2 m,拱轴系数为1.167.拱肋采用哑铃型钢管混凝土,每个钢管外径100 cm,拱肋高为300 cm,内充C55无收缩混凝

土.系梁采用整体箱形梁布置,单箱三室预应力混凝土截面,C50混凝土,桥面箱宽为17.1 m,梁高为2.5 m,底板厚30 cm,顶板厚30 cm,边腹板厚35 cm,中腹板厚30 cm.吊杆间距为8 m,采用127根Φ7高强低松弛镀锌平行钢丝束,冷铸墩头锚.系梁内设16根19-7Φ5环氧钢绞线系杆,外包PE防护,锚固在系梁端实体段系杆箱内,系杆箱内填充发泡材料.两拱肋之间共设5道横撑,拱顶处设X型撑,拱顶至拱脚间设4道K型横撑,图1为该桥成桥后的照片.

图1 跨锡北运河钢管混凝土系杆拱桥Fig.1 Steel pipe concrete tied-arch bridgecross Wuxi north canal

该桥上部结构采用先拱后梁顺序施工,将墩梁临时固结,拱脚及系梁边节段采用支架现浇,拱肋钢管采用现场分段拼装后整体吊装,然后交错分批张拉系杆,向钢管内泵送混凝土;系梁中间节段采用牵索式挂蓝悬臂施工,由拱脚向跨中对称浇注并顺次安装吊杆,挂蓝浇注时通过挂索将荷载传至拱肋上,最后系梁在跨中合龙;然后拆除墩梁临时固结措施,张拉系梁预应力索;最后二期恒载施工,调整吊杆索力. 2 施工监控的前期计算及原理 2.1 施工监控的前期计算

施工监控前期计算是施工控制的基本出发点,根据最终的成桥状态来确定各施工阶段的立模标高及应力监测点的布置.施工监控前期计算采用有限元软件Ansys进行全桥施工过程仿真模拟计算,采用平面杆系有限元进行分析[6].图2为本桥上部结构的有限元模型.

图2 系杆拱桥上部结构有限元模型Fig.2 Finite element model of tied-archbridge with superstructure

有限元仿真分析主要包括以下3方面:① 施工过程各关键工况结构挠度、应力计算分析;② 拱肋预拱度、系梁预拱度计算;③ 成桥时结构挠度、应力计算分析. 2.2 施工控制的原理

该桥施工控制采用较为先进的自适应控制[7],当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时,将误差输入到参数辩识算法中从而调节计算模型的参数,使模型的输出结果与实际测量的结果一致,得到修正的计算模型参数后,重新计算各施工阶段的理想状态.经过若干个工况的反复辨识后,计算模型就基本上与实际结构相一致,图3为本系杆拱桥采用的施工控制框图.

图3 本桥采用的施工控制框图Fig.3 Construction control block diagram of the bridge 3 施工监测内容 3.1 线形监测 3.1.1 拱肋线形监测

由于该桥采用节段预制拼接，完成后整体吊装的方式,对于拱肋线形控制主要在拱肋拼装时的定位上,其准确性通过调整节段间的支架高度确定.在拼装阶段,除对图4中监测点处的高程进行观测外,还对拼装节段线处的高程进行观测.在拱肋吊装完成后,只对拱脚、1/4拱和拱顶5个断面位置的拱肋高程进行监测. 图4 拱肋线形测点布置Fig.4 Line shape measurement station arrangementdiagram of arch rib 3.1.2 系梁线形监测

系梁测点布置及系梁横断面监测点布置见图5和图6,在各个施工工况结束后进行高程测量,系梁标高测量包括挂篮前移时梁底标高的定位测量,浇筑本节段混凝土后在梁顶预埋短钢筋,第二天测量本节段的梁底标高和所有梁顶的标高,张拉本节段预应力钢筋后测量所有梁顶的标高.混凝土浇筑前的梁底定位标高监测,直接根据已标记测点进行观测,在混凝土浇筑完毕后对已浇节段梁底的最前点进行观测,同时观测梁顶测点,从而确定顶底缘测点的相对位置.测量时间应尽可能减少温度的影响,宜安排在凌晨进行.

图5 系梁线形监测点布置Fig.5 Line shape measurement station arrangementdiagram of tie beam

a) 梁段标高测点布置立面 b) 梁段标高测点布置截面图6 系梁横断面监测点布置Fig.6 Cross section measurement station arrangement diagram of tie beam 3.2 控制截面应力监测

为了保证结构在施工期间的安全,除了精确的理论计算外,还必须通过应力测试的辅助手段来对结构构件的工作状态进行实时监视[8].根据前期分析的结果,确定结构在施工期间的薄弱环节,进行应力和变形的监测.

图7 系梁及拱肋应力监测布置Fig.7 Stress measurement station arrangementdiagram of tie beam and arch rib

系梁及拱肋应力监测点布置图7所示,在拱肋的拱脚、1/4拱、拱顶处,两片拱肋共计布设10个应力监测断面,每个断面设置2个应力监测点,共计20个应力监测点.在系梁的端部、1/4跨、跨中布设5个应力监测断面,每个断面设置4个应力监测点,共计20个应力监测点.

系梁和拱肋的应力分别采用VWS-10型振弦式应变计(埋入式)和VWSF型振弦式表面应变计,配合振弦式数据采集仪进行测试,然后根据总应变换算出应力,观察应力的变化是否在允许范围内,图8为应力测试用传感器图.

a) VWS-10 型振弦式应变计 b) VWSF 型振弦式表面应变计图8 应力测试用传感器Fig.8 Transducers diagrams for stress tests 3.3 温度场监测

钢管混凝土拱桥施工中,温度对拱圈结构的拼装、合拢均有很大的影响.而温度应力的计算很大程度上取决于温度场的取值,因此,对结构内部和环境温度的测量具有重

要意义[3].该桥温度场的测量通过集成在应变计内的智能型温度传感器进行,和振弦式应变计的测点布置一致,配合应力测试,在每天的早中晚时间段测量各测点的温度值.

3.4 拱脚位移监测

该桥采用先拱后梁施工方法,系梁除边节段采用支架现浇外,其余段为挂篮施工,在施工过程中采用墩梁临时固结以承受主拱推力与系杆拉力间的不平衡力.在水平力作用下,桥墩、拱脚均会发生位移,对主拱内力及吊杆力影响较大,因此,在系杆张拉过程中,必须对拱脚的变形情况进行监测.在主拱拼装前、后以及系杆每次张拉完成后,根据现场情况选取拱脚位移测点,并用可靠方法进行标记.由于该位移值相对较小,必须采用精度较高的全站仪进行观测. 3.5 吊杆力监测

钢管混凝土系杆拱桥施工要进行多次体系转换,吊杆内力也在不断的变化,吊杆力大小对拱圈结构及系梁的应力状态和线形非常敏感.因此,为了能按照设计要求实时对吊杆的内力进行调整,除了在施工过程中通过千斤顶张拉力和引伸量对吊杆力进行控制,还要根据设计要求,测量关键工况中吊杆的实际张拉力,根据设计吊杆力进行调整.测量过程中,吊杆采用索力动测仪进行适时测试.吊杆两端嵌固且自由振动,由于其张力与其自振频率(基频)的平方成正比,索力动测仪可在采集吊杆的多谐振动曲线后通过频谱分析求取吊杆张力.图9为采用的JMM-268索力动测仪,图10为某吊杆索力测试的照片.

图9 JMM-268索力动测仪Fig.9 JMM-268 cable force dynamic testing device图10 吊杆索力测试Fig.10 Cable force testing of suspender 3.6 钢管混凝土密实性监测

采用RSM-SY5(T)型智能声波仪进行钢管混凝土密实性监测,该声波仪方便携带,操

作简便,信噪比高.检测时用50 kHz纵波平面换能器对钢管进行水平径向对测,测点间距1.2 m,根据超声波在钢管壁与混凝土中的传播时间,声波幅值及波形畸变情况对钢管混凝土密实性进行评价. 4 线形监测结果

限于篇幅本文仅给出该桥系梁成桥后的线形监测结果(表1).

表1 成桥后系梁线形监测成果Table 1 Line shape monitoring results of tie beam after the construction测点号上游点设计标高/m实测标高/m偏差/m下游点设计标高/m实测标高/m偏差/m北京侧1#14.076 014.066 0-0.010 014.076 014.067 1-0.008 92#14.079 014.063 0-0.016 014.079 014.065 6-0.013 4 3#14.091 014.072 0-0.019 014.091 014.070 5-0.020 5 4#14.098 014.071 3-0.026 714.098 014.070 0-0.028 0 5#14.102 014.084 5-0.017 514.102 014.083 5-0.018 5跨中6#14.096 114.098 8 0.002 714.096 114.095 8-0.000 37#14.114 814.117 7 0.002 914.115 214.115 7 0.000 5 8#14.096 114.099 5 0.003 414.096 114.096 5 0.000 4上海侧9#14.102 014.086 1-0.015 914.102 014.084 1-0.017 9 10#14.098 014.078 1-0.019 914.098 014.075 1-0.022 9 11#14.091 014.076 0-0.015 014.091 014.074 3-0.016 7 12#14.079 014.067 1-0.011 414.079 014.065 2-0.013 3 13#14.076 014.063 5-0.012 514.076 014.061 6-0.014 4

注: 1) 上游点和下游点分别为北京至上海方向的左侧和右侧. 2) 表中的高程为系梁的混凝土顶面高程.

从表中可以看出，该桥成桥后系梁的实测标高与设计值偏差均小于3 cm,误差控制在允许范围之内,系梁的线形控制结果满足要求. 5 结论

1) 京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工监控方案整体全面、合理,所采用的监测方法

实用、有效,监控测点布置合理,从监测效果来看,测点布置密度能够满足施工精度要求；

2) 京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工的监控效果良好,为该桥施工提供了强有力的指导和支撑,确保了结构在施工过程中始终处于安全状态,成桥后的应力和线性满足设计要求；

3) 该桥施工监控的经验可为我国今后同类桥梁的施工提供有益的借鉴. 参考文献

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