重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：平南三桥为目前世界在建最大跨径拱桥，跨径为575m，其管径大、拱肋跨径大、施工难度大。本文首先采用有限元软件开展拱肋吊装施工全过程稳定性分析；其次，本文介绍了平南三桥采用的智能纠偏的装备和技术，文中最后对对扣索索力的测试方法-压力环和油压表的测试精度进行阐述。结果表明：拱肋在吊装全过程稳定系数均大于4，满足规范要求，施工现场采用的智能纠偏装备可精准控制塔的偏位，压力环和油压表所测数据与模型中索力理论值相差基本在5%以内，最大差值也不超过10%，精度较高。
关键词：钢管混凝土拱桥；索力；施工控制；稳定性
1引言
钢管混凝土拱桥因其刚度较大、受力合理、施工简便等优点被广泛运用，我国建成的钢管混凝土拱桥数量较多、跨度较大。对于大跨径拱桥，宽跨比小，特别是拱肋吊装中横向刚度被削弱，稳定问题也日益突出，有必要对钢管拱吊装过程中最大悬臂阶段的稳定性进行分析。此外，对于吊塔与扣塔“合一”并采用扣锚通索的施工工艺来说，因背锚索无法平衡扣背索夹角不同引起的不平衡水平推力，且缆索系统的运作也会产生水平推力，因此吊扣塔会发生过大偏位影响拱肋安装精度，增大施工风险。
本文以平南三桥为工程依托，首先采用有限元软件对钢管拱吊装过程中最大悬臂阶段的稳定性做了计算，论证最大悬臂阶段稳定性；其次，介绍了平南三桥采用的智能纠偏的装备和技术，该技术可有效控制塔架的水平偏位；最后对扣索索力的测试方法-压力环和油压表的测试精度进行阐述。
2工程概况
平南三桥主桥为跨径575m的中承式钢管混凝土拱桥，主桥主拱肋为钢管混凝土桁式结构，跨径575m，计算矢跨比1/4.0，拱轴系数为1.50；拱顶截面径向高为8.5m；拱脚截面径向高17.0m，肋宽4.2m；每肋为上、下各两根φ1400mm钢管混凝土弦管；管内灌注C70混凝土，全桥共计44个节段。[1]
平南三桥的吊装顺序为两岸分别自拱脚节段开始起，逐段拼装至11#节段拱肋；待所有拱肋节段吊装完成后，先用马板将南北岸拱肋焊接为整体，再安装嵌补段，实施钢管拱肋的合龙；最后使用千斤顶和卷扬机逐级对称放松各节段扣索，完成全部拱肋吊装。采用MIDAS/Civil建立如图1所示的空间有限元模型，缆风索、扣索采用桁架单元建立共544个单元，其余塔架、钢管拱等均采用空间梁单元模拟建立共23718个单元。
.png)
图1平南三桥Midas/Civil计算模型
3 有限元求解稳定性评价指标
对于实际的对于实际的工程项目，求解结构的稳定性通常是需要求解不同荷载作用下的安全系数，通过有限元求解评价结构稳定性的有如下三种指标：
图2 吊装过程中各施工阶段失稳稳态图
由图3可知，在最大悬臂状态，稳定系数为12.3，结果大于4，满足规范要求。
4塔架智能化控制
中小跨径拱桥吊装缆索吊机和扣挂系统通常分开，独立运行，后来发展到吊塔与扣塔合一的方式。吊扣合一通常有两种，一种是将吊塔置于扣塔顶部，吊塔塔脚为铰结，需要在扣塔顶部设置钢梁来支承吊塔塔铰，可称为“吊扣合一，中间设铰”，这种应用较多；另一种是将扣塔加高，将缆索吊机的索鞍布置于扣塔顶部，扣塔与吊塔直接固结，吊塔扣塔真正合一。[2]平南三桥就是这种形式，同时平南三桥采用扣索一体化方案，即扣索通过塔上转向索鞍，将扣索延伸到地面，在地面张拉扣索。这种方式只需在地面张拉，减少了高空作业，较为安全，但也增加了张拉前收索的时间，也更容易造成扣索在空中打绞，给张拉作业带来困难。将扣索还在地面时就每隔一段距离用木板或钢丝根根分开能明显改善这个问题。
对施工控制来说，难点则在于没有了锚索无法平衡扣背索夹角不同引起的不平衡水平推力，且由于吊扣塔合一，缆索系统的运作也会产生水平推力，继而使塔架发生偏位导致扣挂其上的拱肋联动偏位，影响拱桁悬拼精度。更危险的是，随着节段安装，塔架偏位会逐渐增大，若缆风索刚度不够时甚至塔架偏位会超出规范限值。传统的解决方法存在控制效果不佳、费用高、安全性不足等问题。为此，郑皆连院士组织研制开发了智能纠偏的装备和技术，利用北斗测量系统实时监测塔顶偏位，智能千斤顶适时主动调力，实现了对塔架偏位的智能控制，智能纠偏采用智能千斤顶系统，利用塔顶风缆实现主动加载，控制塔顶偏位在规范限值以内，即用穿心式千斤顶连接在地锚处，以塔顶偏位值作为反馈，进行闭环控制。[3]以平南三桥实测塔顶偏位数据表明，主动控制方法和设备可有效控制塔架顶最大偏位在2cm以内。智能纠偏系统解决了施工监控中塔偏计算困难的问题，且能有效将主塔压力平衡到塔架立柱上，减小塔架最大应力。在模型中，由于拱肋重量会使塔架偏向跨中，而实际上智能纠偏系统则使塔架保持竖直，模型中提取的塔架格构柱各控制截面应力理论值不在具有参考价值。塔架上安装的应力传感器更重要的目的是保证塔架各截面应力不超限，对整个施工过程的安全具有重要意义。
5扣索索力控制精度对比
扣索索力和拱肋预抬量是钢管混凝土拱桥吊装阶段的重中之重，计算出的索力理论值对扣索的张拉具有指导作用。但对实测索力的验证则较为困难，扣索索力的实测值可以通过两种方法得到，一种是由与千斤顶匹配的油压表换算得来，另一种是通过压力传感器（压力环）直接读数。平南三桥并没有采用群拉的方式，而是使用千斤顶对每根钢绞线分级循环张拉。油压表存在回油，指针晃动导致读数不准等问题。而压力环成本较高，每个拱肋节段只在一或两根钢绞线上安装，扣索张拉时以拱肋标高控制，当拱肋达到计算标高时则停止张拉，每根钢绞线也不可能处在同一级，安装压力环的两根钢绞线处在不同级时有发生，以两个压力环的平均读数作为索力实测值存在误差，实测两个压力环的测量结果差值最大达到33%。压力环最主要的目的是能得到后续节段吊装对前面几段索力的影响，可以与模型理论值相互对照，检查索力增量是否一致，保证施工正常进行。因此只要两种方式得到的索力与计算索力差值在10%以内，就认为索力控制在合理范围内。实际得到的索力值均为油压表略大于压力环。平南三桥南岸各节段压力环索力值如表1所示，油压表数据如表2所示，“P”表示平南三桥，第一个“S”和“X”表示上游和下游，“01”表示第一段格子梁，第二个“S”表示南岸。
表1 南岸扣索索力值（压力环）
.png)
可以看出，压力环和油压表所测数据与模型中索力理论值相差基本在5%以内，最大差值也不超过10%，证明这两种方法都可以指导施工。
6结语
本文针对平南三桥施工过程三点问题进行分析和讨论，得到以下结论：
1、钢管拱肋最大悬臂状态下的稳定安全系数为12.3，满足规范要求；
2、智能纠偏技术的运用可有效控制塔的偏位，为拱肋吊装阶段的施工控制提供保障；
3、压力环和油压表所测数据与模型中索力理论值相差基本在5%以内，最大差值也不超过10%。
参考文献：（References）：
[1]沈川.大跨度中承式钢管混凝土拱桥静风荷载效应研究[D].广西大学，2018.
[2]秦大燕，韩玉.500m级钢管混凝土拱桥安装技术研究[J].西部交通科技，2014（07）：26-30.
[3]郑皆连，邓年春，姚鑫玉，王建军，韩玉，杨占峰.基于GNSS位移测量系统和液压控制系统对塔架位移进行主动控制研究[J].公路，2018，63（01）：97-99.