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摘要：近年来下承式钢管混凝土系杆拱桥应用越来越多,为了提高下承式钢管混凝土系杆拱施工的安全性及稳定性,本文对下承式钢管混凝土系杆拱在施工过程中可能发生的一些问题进行研究并提出解决的办法，为类似的施工提供参考。
关键词：下承式；钢管混凝土；系杆拱；支架沉降；预应力压缩
1引言
钢管混凝土拱桥是钢管和混凝土组合结构。下承式钢管混凝土拱由拱、梁、吊杆组合而成，又称为下承式钢管混凝土系杆拱桥。其特征是内部多次超静定，外部为静定结构。在下承式钢管混凝土系杆拱桥施工过程中，关键的问题是如何保证下承式钢管混凝土系杆拱的施工质量，为此本文主要对下承式钢管混凝土系杆拱在施工过程中容易忽略的一些问题进行研究并提出解决的办法。
2下承式钢管混凝土系杆拱桥施工过程中可能发生的问题
按照下承式钢管混凝土系杆拱桥结构特征，建造下承式钢管混凝土系杆拱桥的施工方法主要有两种，即先梁后拱法和先拱后梁法。前一种方法，即先梁后拱法必须先搭设支架，构筑系梁施工平台，支立模板，浇筑系梁混凝土，施加预应力；然后架设钢管拱，灌注管内混凝土，安装吊杆，构造成系杆拱整体结构。
下承式钢管混凝土系杆拱在其施工过程中对于决定系杆拱桥整体结构质量问题，从设计人员到施工人员都给予了充分的重视。但是对于支架沉降对系梁的线形产生的影响及在对系梁施加预应力时对系梁施工定位的影响在施工过程中仍容易被忽视，本文主要对上述两个问题进行研究。
3支架沉降对系梁线形影响和应对措施
下承式钢管混凝土系杆拱，其系梁施工多采用支架法。支架有两种：一是支架直接支撑于河床上；二是悬空支架。前者支架耗用材料和设备多、工期长、造价高，还阻碍通航。但是，该法与悬空支架法相比，支架相对刚度大，容易控制变形，因此，在系杆拱施工时仍然广泛用之。如果系梁施工采用下部支架法，支架支承于承载力较低的地基上，系梁在浇筑混凝土过程中支架总会发生一定沉降，将对系梁产生不利影响。
3.1支架沉降对系梁的不利影响
在系梁整个施工过程中，如果支架沉降过大，必然引起系梁下沉，导致系梁线性发生变化，甚至下缘还可能发生开裂现象。支架过大的沉降，还可能会出现支架坍塌事故，造成人员伤亡和严重的经济损失。因此，在施工过程中，对支架安全性问题，必须引起足够重视。
3.2系梁支架发生沉降的原因
在系梁支架搭设完毕，应当按照系梁实际荷载分布布设试验荷载，事先对支架进行预压，以检验支架的安全性和可靠性，同时，还消除支架间的非弹性变形，减少系梁施工沉降。尽管采取以上措施，在浇筑系梁混凝土后，支架仍然还会发生微量沉降。其主要原因是支架基础较弱，支架承载力不足等原因导致支架沉降仍有发生。除上述原因外，系梁达到设计强度后至被吊杆拉起脱离支架，期间隔时间过长，支架长时间承受一定的静载，也会引起支架沉降。对于这种沉降，有时在支架承载力不足和持续时间较长的影响下此沉降值会较大，因此绝对不能掉以轻心。
3.3支架沉降问题的分析
如何消除这种沉降的影响？现将通过下面的分析对该问题进行研究探讨。
3.3.1在系梁脱离支架之前，系梁可能发生的沉降
在系梁脱离支架之前，系梁（杆）视为连续弹性梁支承，其可能发生的沉降分为三部分：第一部分为系梁浇筑混凝土开始至系梁混凝土浇筑完成及强度、刚度形成时的沉降，系梁跨中沉降值用△S1表示，第二部分为系梁浇筑混凝土强度、刚度形成之后至钢管拱成拱前的沉降，系梁跨中沉降值用△S2表示，第三部分为钢管拱成拱后到吊杆张拉系梁之前的沉降，系梁跨中沉降值用△S3表示。
3.3.2三种不同性质的沉降
（1）△S1沉降
△S1是系梁在强度、刚度形成之前发生的沉降。在此期间，系梁不传递因支架下沉而产生的弯矩，支架的整体支撑反力也没有减少，支撑反力等于其上系梁自重，故这部分沉降形成了施工误差。如果使用外力作用于系梁，将系梁恢复到沉降前位置，在系梁内部会产生附加的不利应力。所以，在施工时，一般采用设置施工预拱度来消除这种沉降。
（2）△S2沉降
△S2是系梁强度、刚度形成之后至钢管拱成拱前支架发生的沉降。这个施工阶段的系梁刚度已形成。在支架沉降过程中，通过系梁传达弯矩。因此，系梁支架的部分支撑反力传递到系梁两端支座上。此时，系梁支架支撑反力小于原先承担的系梁自重。
①如果系梁结构体系没有变化，即仍为简支结构，按照原先未减少的支架支撑反力大小施加外力于系梁，理论上系梁应该能恢复△S2沉降。但是只要钢管拱成拱后，标志着系杆拱已经形成，对于外部来说，系杆拱桥是静定结构，但内部已形成超静定结构。
②在钢管混凝土系杆拱中，一般情况由于钢管混凝土拱的刚度比较大，它与系梁的结合部处近似形成了强大刚臂。此时，对于系梁构件来说，已由梁端简支变成了梁端类似固端约束。在均布荷载作用下，梁端固结系梁与梁端简支的系梁相比，两者跨中位移之比为1：5。但实际上钢管拱刚度并不是无限大，所以系梁两端的约束能力稍逊于两端刚度无限大的固定梁。
（3）△S3沉降
△S3为钢管拱成拱后到吊杆张拉系梁之前系梁跨中的沉降。在该施工阶段，上部结构已经构筑成系杆拱结构，外部约束也没有改变，因此△S3沉降可通过吊杆力与对应系梁自重平衡恢复。
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3.4支架沉降引起的系梁线形误差消除问题探讨
通过以上分析我们可以知道在钢管混凝土系杆拱成拱后，吊杆拉力与对应系梁自重平衡，仅能恢复△S2中的较小部分和△S3。对于△S1和大部分△S2均不能恢复，当这两部分沉降值较大时，如果采取增大吊杆力办法强行消除这些沉降，将给系梁内力分配带来不利影响，这时，在拱端固结附近系梁下缘可能会出现较大拉应力将系梁拉裂。
3.5支架沉降引起的系梁线形误差消除应对措施
综合上面的研究探讨，为消除系梁支架下沉对系梁产生的不利影响可采用以下措施：
（1）预压系梁支架消除非弹性变形。在浇筑系梁混凝土前，必须对系梁支架进行预压，以达到检验支架安全、可靠性和消除支架间的非弹性变形，减少系梁施工沉降。
（2）设置施工预拱度。在对施工预拱度预估时，根据工期长短，结合系梁支架预压情况并考虑到系梁浇筑后至成拱期间内系梁发生的△S2沉降，设置系梁的预拱度。采取这种对策后，系梁沉降情况一般与预计算值差别不大，系梁线形一般能满足施工控制要求。
（3）加强施工监测，根据不同沉降采用相应对策。在施工监控中，应当加强对系梁不同工况下的标高检测，分析系梁的不同类别沉降值，如前述的△S1、△S2、△S3，根据不同沉降的数值，采取相应对策。实际施工中如果由于预拱度设置不足或者由于施工工艺、施工工期等的变化，系梁沉降超出预估值，此时应对系梁设置的预拱度和△S1、△S2、△S3沉降进行分析、研究，并对比实测标高和设计标高提出具体措施。
①如果系梁标高低于设计标高不大，可以采取微调吊杆力的方法，使系梁标高达到设计标高。
②如果系梁标高低于设计标高较多，应通过施工仿真结构计算程序计算合理的吊杆力调整量，防止系梁出现不利应力。
③如果计算表明采取调整吊杆力方法调整系梁标高，对系梁应力产生很不利的影响，此时可以通过计算，对系梁的部分标高误差采取合理吊杆力张拉来调整，另外部分标高误差通过适当增加桥面铺装层厚度来调整。
4、预应力压缩对施工定位影响和应对措施
钢管混凝土系杆拱其成拱至运营之前，先梁后拱法施工方法的施工过程是：搭设系梁支架、浇筑系梁混凝土、安装钢管拱、浇筑管内混凝土、安装和张拉吊杆，铺设桥面T形梁板、桥面铺装和栏杆、人行道铺装。自安装钢管拱后，钢管拱产生的推力通过拱脚段与系梁结合部处传递给系梁，使系梁承受拉应力。为了平衡拱的推力，使系梁一直处于受压状态中，防止系梁开裂，需随着施工进程分批次对系梁施加适当纵向预应力，用以抵消从拱脚传来的水平推力。
4.1问题的提出
为抵消在安装钢管拱、浇筑管内混凝土、第一次张拉吊杆过程中从拱脚传来的对系梁产生的水平推力，设计规定在架设钢管拱之前需对系梁施加几束纵向预应力，使系梁先受到纵向压应力。但由此系梁必然产生纵向压缩，对系梁施工定位产生不利影响。
4.1.1系杆拱结构形成前施工过程
目前，下承式钢管混凝土系杆拱其系梁浇筑和钢管拱安装很多采用了下部支撑支架法施工，然后按照系梁的设计位置搭设支架、构造平台、立模、绑扎系梁钢筋、浇筑混凝土、安装吊杆横梁、对系梁施加预应力筋、安装钢管拱形成钢管混凝土系杆拱结构。
4.1.2预应力使系梁变形
由于在钢管拱安装前施加的预应力压缩作用，使系梁水平自由端向水平约束端压缩，虽然预应力产生的微应变微不足道，但是由于系梁较长，总压缩量是不可忽视的。
4.1.3系梁压缩变形对施工定位影响
由于钢管拱位置发生了偏离，是钢管拱弧长相对变短，拱脚段连接处角度也发生变化，在一般情况下，钢管拱制作室都是按照施工加工图纸进行分段制作，如果没有考虑到钢管拱缩短和角度变化，则给钢管拱安装定位造成极大困难。当系梁受到压缩后钢管拱相对变长，如果钢管拱采用法兰盘安装，必然产生困难；如果采用焊接安装，可以割去多余长度。但是吊杆相对位置在钢管拱上已经确定，因而系梁上吊杆位置发生偏移，造成钢管拱上吊杆位置与系梁吊杆位置不相对应个，顺桥向偏离问题仍解决不了。另外拱脚段角度变化问题也解决不了，系杆拱跨度和对系梁施加的预应力越大，压缩偏离误差也越大。
此问题实质是系梁纵向预应力先施加，系梁已经压缩后，再按施工图安装钢管拱而必然造成的问题；还有系梁在施加纵向预应力过程中，在两侧钢管拱拱脚段还会发生不同程度的微小偏转，又给钢管拱的安装特别是拱脚段附近钢管拱带来不利影响。
对于大跨径系杆拱，采取何种方法消除这种偏差的影响，这是施工中需解决的问题。
4.2较少或消除压缩影响的措施
钢管拱的拱轴线一般为二次抛物线或悬链线，通过调整钢管拱的拱轴线方程涉及到计算问题比较复杂，也不现实。从现实出发解决这个问题一般可通过调整系梁长度和吊杆位置来处理，方法如下：
（1）在上部结构施工前，事先计算出在钢管拱安装前系梁纵向预应力的压缩量，而且加上适当的系梁混凝土收缩、徐变量，再按照吊杆和钢管拱脚段位置，按照离顺桥向约束的距离位比例，计算出钢管拱拱脚段位置和各吊杆位置处的压缩量。
（2）在水平滑动支座处的端横梁、系梁端部和拱脚段的钢管拱，按照拱脚段的计算压缩量，反方向等量偏离定位。系梁两侧拱脚段钢管拱底部在系梁里做一临时铰结支座，且将拱脚段钢管拱与系梁隔离起来，在端横梁和系梁端部浇筑完后钢管拱拱脚可在顺桥向微小转动。按照施工图进行钢管拱安装成拱后，再在拱脚段周围浇筑混凝土，使钢管拱与系梁端部及端横梁固结。这样，在钢管拱安装时，拱脚段顺桥向位置误差就不会太大，而且还能微量调整拱脚段钢管拱顺桥向的转角，该措施大大提高了钢管拱的安装精度。
（3）在系梁吊杆定位时，需按照各吊杆计算压缩量，反向等量偏离定位，注意吊杆套筒、吊杆张拉端、系梁横隔板钢筋等位置都随之改变。对于靠近水平约束端部分，由于压缩位移比较小，可以忽略次偏移值。采取这样措施后，在系梁施加预应力后，系梁吊杆实际位置与设计位置误差就会减小。这样，在安装钢管拱时，吊杆上锚点与吊杆下锚点顺桥向位置误差就会减少，因而大大提高了吊杆的顺桥向垂直精度。
5结语
本文通过下承式钢管混凝土系杆拱在其施工过程中对于支架沉降对系梁的线形产生的影响及在对系梁施加预应力时对系梁施工定位的影响问题进行了研究探讨并提出解决的办法，为同类的施工提供参考。
参考文献
[1]文武松,王邦楣.斜拉桥施工阶段监测监控的内容和方法.桥梁建设,1999(4).
[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工.人民交通出版社,2000.
[3]公路工程质量检验评定标准(JTJ071-98)
论文作者:梁小马
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第8期
论文发表时间:2017/8/15
标签：钢管论文; 支架论文; 吊杆论文; 混凝土论文; 预应力论文; 标高论文; 拱桥论文; 《建筑学研究前沿》2017年第8期论文;