浅谈南水北调中线先拱后梁系杆拱施工监控技术

摘要：结合自己在建设管理中的亲身体会，重点阐述南水北调中线工程新郑南段十里铺东南公路桥施工监控技术及实现各预期目标的措施。

关键词：先拱后梁系杆拱施工监控

中图分类号：TU74文献标识码： A

1前言

本文结合自己在建设南水北调中线工程新郑南段十里铺东南公路桥建设管理的实际经历，对南水北调中线工程中系杆拱先拱后梁的施工监控技术进行总结，以供大家在类似工程中参考，互相借鉴。

2工程概况

十里铺东南公路桥位于河南省新郑市十里铺村东南，是南水北调中线工程新郑南段总干渠与S103的路渠交叉建筑物，总干渠设计桩号SH(3)123+932.5。

结构形式为下承式钢管拱结构，主跨160m荷载等级为公路Ⅰ级。上部结构为1-160m下承式系杆拱,下部结构为薄壁式桥台,桥台为桩基接承台,单跨，箱梁20片。桥梁所在道路路基宽16.5m，路面宽15m，桥梁行车道净宽16.5m，两侧各设0.5m宽防撞护栏，桥面双向横坡为2%，纵向上下坡均为2.56%。

全桥共设两榀拱肋，拱肋计算跨径为160m，肋间中距为20.16m，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.167。矢跨比1/5,。每榀拱肋由4根上下弦管[Φ900×14（18）]，竖腹管（Φ299×10）、斜腹管（Φ299×10）及平联杆（Φ402×10、Φ600×10）焊接成桁式截面，截面高度3.6m，宽度2.1m，拱肋上下弦管内泵送C50微膨胀混凝土，形成钢管混凝土组合截面，上下弦管内每隔2.7～3.2m（斜腹管处）设置一道加劲环，以提高管壁刚度。两拱肋间共设置7道横撑以保证拱肋面外稳定，均为一字撑，横撑主管均为（Φ600×10）。桥型布置如图1。

图1十里铺东南公路桥型布置图

全桥共设置18对吊杆。吊杆间距8.1m，吊杆采用成品吊杆索，吊杆型号为PES.ECW（FD）7-121、PES.ECW（FD）7-139低应力全防腐索体，对应的破断荷载分别为7777KN、8933KN。吊杆外裹双层PE，环氧涂层高强钢丝，钢丝标准强度Rbv=1670MPa。吊杆拱端为张拉端锚具，梁端为固定端锚具，梁端均设球面支座，两端均要具备一定调整标高的能力。

每榀拱肋下设12束31股Φs15.2高强低松弛钢绞线，单根系杆索的破断荷载为8072KN。系杆外裹双层PE，环氧涂层预应力钢绞线，钢绞线抗拉强度标准值fuk-1860MPa，系杆锚具采用可换式专用锚具。系杆锚固于拱座上。

3施工方案简述

通过对施工现场的详细考察，以及与设计单位的沟通，根据设计图中施工顺序图的要求。参建单位就拱肋吊装的施工方法召开了多此方案比选及评审会议，对拱肋分段方案及拱肋吊装方案施工进行了深入的论证。最终采用“先拱后梁”的施工方法进行拱肋施工。在施工过程中结合类似工程施工经验，设计与施工相结合，在保证工程质量的前提下对拱肋吊装段划分进行了部分调整，最大吊装重量不超过50t，减少了合拢段长度。本桥拱肋安装时采用LBMQ80t+80t-27.9m-46m门式起重机进行吊装。施工工艺流程如图2。

图2十里铺东南公路桥工艺流程图

4、施工控制目的

桥梁施工控制的主要目标是：保障桥梁施工安全，确保成桥后结构的内力和线形与设计理想状态相一致，将误差控制在规范和设计允许的范围之内。

对于大型桥梁，理想的几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。如何通过对施工过程的控制，在建成时得到预先设计的应力状态和几何线形，是桥梁施工中非常关键和困难的问题。施工控制是通过在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，并根据监测结果对施工过程进行相应的调整，使桥梁建成时最大可能地逼近设计理想状态。

施工控制有两个方面的主要任务，一是使结构在建成时达到设计所希望的几何形状，二是使结构在建成时达到合理的内力状态，同时在施工过程中保证结构的安全。由于该桥为钢管砼系杆拱桥，跨径较大，施工过程加载程序多，结构受力复杂，因此本桥施工的技术含量和难度较高，为掌握施工过程中结构受力状况并保证成桥质量，需对施工过程实施有效的监测和控制。

5、施工控制的原则与方法

桥梁施工控制是一个预告施工量测识别修正预告的循环过程。施工控制最主要的原则是要确保结构的安全，具体表现为：变形控制在允许范围内，并保证结构有足够的强度和稳定性。

目前在施工控制方面采用的主要是自适应控制的思路，其基本原理是：当结构测量到的状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到参数辩识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态。这样，经过几个工况的反复辩识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更准确的预测和控制。由于经过自适应过程，计算程序已经与实际施工过程比较吻合，因而可以达到控制的目的，其施工监控的主要步骤见图3所示。

本桥主要是通过监测上部钢管拱肋安装、拱肋砼泵送、系杆束张拉、落架、中横梁吊装以及桥面板安装等作用下的受力和变形情况，及时发现可能存在的异常情况，实时调整和纠偏，保障各阶段实际施工状态和理想施工状态相一致。通过施工监测与控制的有机结合，调整和控制桥梁的线形和内力，使其达到设计预期值，同时保障桥梁施工安全。

图3 施工监控框图

6、施工监控的准备工作

6.1与设计单位沟通

根据设计图纸，首先对十里铺东南公路桥的成桥状态进行计算复核，并对整个施工过程进行仿真计算分析，经过与设计单位的积极沟通和反复对比验算，主体结构受力均满足规范要求。

6.2施工方案的审查

通过对施工方案进行审查，采用在钢管拱肋混凝土泵送前先设置临时墩安装中横梁和导轮架，再安装和张拉永久系杆的方案，能省去导轮架的临时支撑，简化施工步骤，并加快施工进度。

7、施工过程的控制

7.1 施工步骤

本桥的施工步骤如下：施工主墩和端横梁钢管拱肋拼装张拉临时系杆束安装中横梁张拉1号永久系杆束，并拆除临时系杆束灌注下弦1号钢管混凝土张拉2号永久系杆束灌注下弦2号钢管混凝土张拉3号永久系杆束灌注上弦3号钢管混凝土张拉4号永久系杆束灌注上弦4号钢管混凝土张拉5号永久系杆束安装1-7#吊杆横梁张拉6号永久系杆束安装8-9#吊杆横梁张拉7号永久系杆束安装纵梁张拉8号永久系杆束安装1-6#横梁上桥面板张拉9号永久系杆束安装7-9#横梁上桥面板张拉10号永久系杆束张拉中横梁及端横梁剩余钢束安装防撞栏张拉11号永久系杆束安装桥面铺装张拉12号永久系杆束。

7.2 主要监测内容

7.2.1 对钢管拱肋拼装线形进行监测和调整，并对拱肋各控制截面应力进行监测；

7.2.2对主墩墩顶水平位移、基础沉降和墩身控制截面应力进行跟踪观测，以分析主墩是否存在较大的不平衡水平推力，判断下部结构是否处于安全状态；

7.2.3根据拱肋拼装后实测线形并结合计算结果，复核制造厂家提供的各吊杆无应力制作长度；

7.2.4对施工图中横梁安装标高进行复核，提供中横梁安装标高指令，并对其安装标高进行测量；

7.2.5对施工单位在施工过程中提出的问题及时进行回复，如排架落架次序、临时系杆束张拉时机、中横梁预应力束张拉等均根据实际情况进行验算和回复。

8、施工各阶段应力、变形及高程控制的分析预报

8.1 施工控制影响因素

根据以往此类桥梁施工控制上的经验，本桥施工控制影响因素主要有以下几个方面：

8.1.1砼材料的容重、弹性模量因砼配合比不同而已；

8.1.2环境温度、日照及空气相对湿度的影响；

8.1.3系杆束实际张拉力与理论值之间的差异等；

8.1.4施工时因模板变形等原因造成的结构自重变化；

8.1.5砼收缩、徐变变形的差异；

8.1.6主墩基础实际桩同作用与理论之间的差异等；

8.1.7预应力的松弛、徐变分析的不确切性。

8.2 施工控制对策

根据以上特点，本桥的施工控制采取在结构稳定性满足要求的前提下，对结构变形（高程）、应力进行双控，其中以变形控制为主，应严格控制系杆和拱肋等关键界面在危险工况的挠度变化，轴线偏位，同时关注材料应力发展状态及趋势。

8.2.1 主桥结构施工状态的现场模拟分析

在对施工图充分理解的基础上，与施工单位广泛接触，尽可能详细的了解施工过程，调查施工荷载的大小与位置。根据设计及施工单位选定的施工方法进行每一工况的有限元理论分析时，尽可能预先精确模拟计算施工全过程，获得结构各施工阶段的期望状态，给出各施工过程中的断面的内力、应力和变形的期望值，对选定的施工控制主要参数及主要成果应形成施工控制预备文件，在此基础上进行施工误差灵敏度分析，确定各施工步骤的允许误差及误差出现后的内力及位移调整方案，作为施工依据。

模拟分析具体步骤如下：

8.2.1.1先将结构按照实际工况离散成单元，拱肋离散成直杆进行计算。

8.2.1.2按照实际施工顺序，包括系杆束张拉、拱肋安装、吊杆张拉等若干个施工阶段，根据各施工阶段的受力状况进行仿真计算。计算过程中同时考虑温度场的效应。

8.2.1.3将结构按照“正装”计算结果，得出拱肋和系杆的理论施工控制值。

8.2.1.4在整个施工控制过程中，对结构变化有影响的变化因素进行跟踪计算，以确保施工控制计算结果的可靠性。

8.2.2 现场测试与现场计算分析调整

在施工全过程中，对全桥结构进行现场测试跟踪，将测量结果与计算结果进行分析对比，在出现误差时，通过结构线形、材料弹性模量、温度场等的现场测量结果，分析误差出现的原因，根据现场测量结果确定调整误差的措施，并将有可信度的现场测量结果输入计算模型进行分析，调整以后的施工要求。

8.2.3关键部位的应力及变形跟踪

根据前期分析的结果，确定结构在施工期间的薄弱环节，对施工期间的危险状态进行结构应力状态监测及结构挠度变形测量。

9结束语

结构计算模型的准确模拟至关重要，在准确计算的基础上，合理确定拱肋的安装标高，可以保证结构成桥线形满足设计要求，通过合理制定系杆的张拉方案，可以确保系杆、拱肋结构在施工过程中内力变化合理，系杆索力受力均匀，从而确保结构的安全。系杆拱的施工方法根据工程实际特点而异，施工中涉及到的质量、安全控制因素较多，本文仅为作者在该项目工程建设管理中的亲身经历，不当之处请各位读者批评指正，并恳请与大家进行交流，共同完善系杆拱的施工监控技术。

作者简介：杨朝元 1979年6月出生，男，工程师，2002年7月毕业于重庆交通学院河海建筑工程系港口航道专业，工学学士。