500米级钢管混凝土拱桥建造技术及最佳封拱脚方案分析

5.3.2.1　工程概况

六律大桥为如图5-15所示的钢管混凝土拱桥，拱肋计算跨径265 m，矢跨比为1／4.5，拱轴线采用倒悬链线，悬链线系数m＝1.352。主拱肋为四肢式空间桁拱结构，拱肋截面径向高度为6.0 m，宽度为2.8 m。拱圈分14个节段吊装施工，第1、2节段拱段上下弦均采用直径为φ1 000×28 mm的钢管；第3节段上弦采用φ1 000×22 mm钢管，下弦采用φ1 000×24 mm钢管；其余各节段采用φ1 000×24 mm钢管；管内灌注C55微膨胀混凝土，腹杆分别采用φ450×12 mm，吊点处平联杆采用φ610×16 mm，非吊点处采用φ610×12 mm。全桥共9道横撑，其中8道K撑，1道拱顶米字形撑。由于结构跨径较小，为简化施工工作量，这里采用“先合龙，再封拱脚”的施工方式开展研究分析。

图5-15　六律大桥结构示意图

5.3.2.2　封拱脚方案研究

近年来，钢管混凝土拱桥越来越受到人们的青睐，不管是跨径还是划分的节段数都呈现上升的趋势，跨径越大，节段越重，对钢管混凝土拱桥合龙要求就越高，而合理的封拱脚时机对拱圈的合龙起着至关重要的作用，因此对钢管混凝土拱桥合理封拱脚时机进行研究是非常有必要的。以在建工程六律大桥为依托工程，利用midas Civil有限元软件对大桥斜拉扣挂进行整体建模，通过施工阶段划分分别建立第1节段拱肋吊装完成后封拱脚到第7节段拱肋吊装完成后封拱脚共七种封拱脚方案，并采用“过程最优，结果可控”的斜拉扣挂一次张拉施工优化计算方法对七种封拱脚方案模型从拱圈应力、拱圈线形、白噪声误差试验方面进行了对比分析研究，旨在找出六律大桥最佳封拱脚时机，优化施工过程，同时也为后续同类型桥梁建造提供封拱脚方案参考。

通过midas Civil有限元软件对六律大桥进行建模分析，按照设计图纸及施工组织设计方案对吊装拱肋建立空间有限元模型，模型中拱肋采用梁单元模拟，扣索采用桁架单元模拟。midas Civil拱肋吊装空间有限元建模如图5-16所示。

图5-16　midas Civil模型

该次计算采用两岸对称安装的计算方法，即南北两岸同时安装、张拉扣索，然后安装节段间的横联，最终实现全桥合龙。七种封拱脚方案计算模型通过划分施工阶段实现，分别为方案一至方案七。

以下将通过“过程最优，结果可控”的斜拉扣挂一次张拉施工优化计算方法从钢管混凝土拱圈应力、拱圈线形、白噪声误差试验三个方面分别对七种封拱脚方案进行研究。

1）拱圈应力分析

钢管混凝土拱圈应力同拱圈刚度有着密切的联系，而拱圈刚度同封拱脚时机又紧密相连，因此保证拱圈小应力合龙需要选择合适的封拱脚时机。采用“过程最优，结果可控”的斜拉扣挂一次张拉施工优化计算方法对每一种封拱脚方案进行计算，提取施工阶段分析过程中出现的最大拉应力和最大压应力，结果见表5-3，如图5-17所示。

表5-3　拱圈应力　单位：MPa

由以上分析可知，七种封拱脚方案均可行，拱圈出现的最大应力均没有超过拱圈屈服强度，均满足规范要求。其中方案二、四、五相较于其他封拱脚方案，拱圈应力较大。因此对于六律大桥，从拱圈应力分析角度出发，宜选择方案一、三、六、七。

2）拱圈线形分析

钢管混凝土拱圈安装线形控制，工程中偏重合龙松索后线形而忽略安装过程中线形均匀性，这对拱圈安装是不利的。合龙松索后线形体现拱圈合龙松索后偏离目标线形的程度，安装过程中线形体现拱圈安装过程中线形均匀性。以下为七种封拱脚方案拱圈线形的对比分析结果，如图5-18、图5-19所示。

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图5-17　拱圈应力

图5-18　合龙线形与目标线形偏差

图5-19　线形均匀性

由分析结果可知，从松索合龙线形考虑，方案二、四、五、七松索合龙后偏离目标线形较远，因此宜选择方案一、三、六；从安装过程中线形均匀性考虑，方案二、七施工过程中，线形波动较大，均匀性较差，因此宜选择方案一、三、四、五、六；综合合龙线形、安装过程线形均匀性两方面考虑，宜选择方案一、三、六。

3）白噪声误差试验分析

拱圈的线形除了索力控制外，还受到诸如拱圈的制造误差和施工中的测量误差等影响，为模拟这些误差对拱圈吊装至合龙过程中线形的影响，对拱圈吊装过程中的安装标高加入幅值为30 mm的白噪声，并对七种封拱脚方案分别进行1 000次模拟试验分析，试验结果如图5-20所示。

图5-20　白噪声误差试验结果

由误差试验分析结果可得，白噪声试验误差放大值在方案一时最大，被放大约70 mm，而随着封拱脚时间往后延迟，白噪声试验误差放大值逐渐减小，至方案三时，基本没有被放大并趋于稳定。因此过早地封拱脚对拱圈线形控制是不利的，对于六律大桥，从白噪声试验误差放大值角度考虑，宜选择方案三、四、五、六、七。

综上对六律大桥七种封拱脚方案对比分析可得，吊装过程中要得到较小的拱圈应力，应选择方案一、三、六、七；吊装过程中要控制较好的拱圈线形，应选择方案一、三、六；施工中要减小拱圈制造、测量等误差的影响，应选择方案三、四、五、六。所以对于六律大桥宜选择方案三、六；但对于施工来说，在受力计算和线形控制均相同的情况下，越早封拱脚，可以降低施工安全风险。因此六律大桥最佳封拱脚时机为方案三。

以六律大桥为依托工程，从拱圈应力、拱圈线形、白噪声误差试验三方面对比分析了七种封拱脚方案，得出的相关结论如下：

（1）施工过程中，七种封拱脚方案对比，拱圈应力均满足规范要求。从拱圈应力出发，方案一、三、六、七的拱圈应力相较于其他方案小，可作为最佳封拱脚时机。

（2）从拱圈线形方面考虑，既能保证合龙松索后拱圈线形偏离目标线形较小，又能保证施工过程中安装线形均匀性，可选择方案一、三、六作为最佳封拱脚时机。

（3）从白噪声误差试验分析，误差放大值随着封拱脚时间往后推迟而逐渐减小并最终趋于稳定，方案三后误差放大值基本稳定，因此方案三至方案七均可作为最佳封拱脚时机。

（4）从拱圈应力、拱圈线形、白噪声误差试验三方面对七种封拱脚方案进行对比分析研究，并综合三方面最佳封拱脚时机可得六律大桥最佳封拱脚时机宜选择方案三，且对小跨径钢管混凝土拱桥，施工优化效果不明显。