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施工监控论文

双铰型上承式拱桥的工程试验测试与施工监控

往往

（湘潭大学土木工程系，湖南湘潭，411105）

摘要：

庄路-京津塘高速公路拱桥的结构设计十分新颖，双线主桥采用跨径为70米的双铰型上承式拱形结构，结构构件纤细轻巧，体现了设计的先进性和经济性。

然而，由于该拱桥的断面复杂，导致结构受力和施工工艺十分复杂，且施工难度大，使得设计人员在结构设计时必须考虑成桥后的结构受力和变形状态以及施工全过程中的结构受力和变形状态的不断变化，而按照现行规范和采用目前已有的计算软件都难以解决设计计算中所存在的一些问题，甚至有些问题如施工过程中的应力状态和变形状态的变化难以通过计算去加以解释。

因此，迫切需要对该拱桥的设计计算进行充分的计算分析，并在结构施工中通过测试试验，掌握拱桥结构在施工各个阶段的受力和变形状态以及成桥后拱桥结构承载能力，并及时对该工程结构的设计和施工提出合理的建议。

关键字：

拱桥：

车载试验；施工监控；施工工艺

Researchonconstructiontechnologyanddetectionoftow-hingeddeckarchedbridge

Wangwang

（XiangTanUniversityCollegeofCivilEngineeringandMechanics，HunanXiangtan411105，China）

ABSTRACT：

ThestructuraldesignofthearchedbridgelocatedinZhongxinzhuangroad-JingjintangexpresswayinWestAreaofDevelopmentAreawasverynovelty.Structuralelementswaslightandhandyandthestructuregaveexpressiontotheadvantageandeconomyindesignbecausethetwo-hingeddeckarchdomeswith70mspanlengthwasusedinthemainbridgewithdouble-lines.highdifficultyofconstructionandsoonappearedduetothecomplexcross-sectionofthisarchedbridge.Designermusthavetakenconsiderationforthestructuralstressanddeformationafterthearchedbridgewasbuiltandgiventhoughttothechangesofthestructuralstressanddeformationduringthewholeprocessofconstruction.But,someproblemsindesigncalculationcouldnotberesolvedaccordingtheapplicablecodesandcurrentcalculationsoftware;Duringstructuralconstructionthroughtest,thestressanddeformationofthearchedbridgeindifferentstepswasunderstood;thebearingcapacityofthearchedbridgeafteritwasbuiltwasunderstood;rationaladviceswereprovidedforthedesignandconstructionofthebridgeintime.

KEYWORDS：

archedbridge,vehicle,constructiondetection,testconstructiontechnology

1.工程背景

开发区西区中心庄路-京津塘高速公路拱桥是开发区西区基础设施一期工程的重要单体项目之一，位于开发区中心庄路与京津塘高速公路相交处，系分离式立交，沿中心庄路上跨京津塘高速公路，双线主桥采用双铰型上承式拱桥结构，如图1-1所示，主桥主拱净跨径62m，矢高8.8m，拱上建筑总跨径70m，桥面宽度18.5m，一跨跨越京津塘高速公路。

新建拱桥与京津塘高速公路斜交角度为650，引桥采用钢筋混凝土T形梁，整个跨线立交跨径布置为19×20+70+19×20m，桥梁总长度为830m，桥梁总面积为29880m2。

桥梁分为上、下两幅桥面,上、下行桥各设计四组平行混凝土拱肋，四组拱肋断面均相同，拱肋采用预制结构，在跨中1米范围后浇合拢，每组跨度为62米，矢高为8.8米，拱肋的底面是二次抛物线形式，方程为y=4f（L-X）.X/L2，拱肋断面是不断变化梁高和宽度的三边形壳体，拱脚处断面底宽为0.4米，顶总宽为1.1米，拱肋总高度为0.8米，拱顶处为矩形截面，宽度为1.5米，梁高为0.35米，半拱肋中总宽为3.3米，梁高为1.428米，拱脚处1米范围采用钢纤维混凝土,拱顶处1米范围采用微膨胀混凝土。

2.拱桥检测方法与静载试验

2.1拱桥的基本特点

由力学知识可知，拱式结构载竖向荷载作用下，整个拱主要承受压力，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力。

这样，拱桥不仅可以利用钢筋混凝土等材料来修建，而且还可以根据拱的这个受力特点，充分利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料（石料、混凝土）来修建。

拱桥的主要特点是：

1）跨越能力较大。

在全世界范围内，钢筋混凝土拱桥目前的最大跨径为390m，石拱桥为155m，钢拱桥为518m。

2）能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比，可以节省大量的钢材和水泥。

3）耐久性好，而且养护、维修费用少。

4）外型美观。

5）构造较简单，尤其是圬工拱桥，技术容易被掌握，有利于广泛采用。

拱桥的主要缺点是：

1）自重较大，增加乐下部结构的工程量。

2）拱桥（尤其是圬工拱桥）一般都采用在支架上施工的方法修建，随着跨径和桥高的增大，增大乐拱桥的施工难度，提高乐拱桥的总造价。

3）由于拱桥水平推力较大，在连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采用较复杂的措施。

拱桥虽然存在这些缺点，但由于它的优点突出，只要在条件许可的情况下修建拱桥往往仍是经济合理的，因此，在我国公路桥梁建设中，拱桥，特别是圬工拱桥仍得到了广泛的应用。

而且拱桥的特点也正在逐步得到改善和克服。

利用轻质材料来减轻结构物的自重，或设法提高地基承载能力等。

为了节约劳动力、加快施工进度，就需要逐步提高预制构件在圬工数量中所占的比重，以利于机械化和工业化的施工。

这些措施更加扩大了拱桥的使用范围。

而且拱桥的跨越能力也在不断增大，跨径由十几米发展到几十米。

2.2拱桥检测种类

2.2．1拱桥承载力检测方法

近年来，人们对桥梁动态和静态特性进行研究，以使对桥梁工作时的行为有

一个全面地了解和评估，确保桥梁的安全工作。

目前国内外较为普遍采用的桥梁承载力鉴定方法大致有以下几种：

经验类比法：

根据同类调查确定折减系数以修正理论值。

实物调查法：

基于长期观测与统计分析的方法。

分析计算法：

基于设计方法的评定方法。

静荷载实验法（实载法）：

逐级加载至破坏，从而定出承载力。

动态法：

以动态试验结果作为依据的评定方法。

其它方法：

损坏函数，可靠性函数的系统鉴定方法，按规范检查法等。

实物调查法，是由实际交通情况来鉴定桥梁承载力的动态方法。

具体做法是：

对被检桥梁进行相当长期的观测，记录桥梁通过的车辆荷载，并测定车辆通过时

桥梁各主要部位的挠度、应变、应力、裂缝开展情况等数据。

然后，对这些数据

进行统计分析，从而得到桥梁可以承受的荷载等级。

实物调查是基于长期观测结

果的一种评估方法，这种方法主要是由公路管理部门实施的一种评估方法。

此法

调查起来工作量相当大，花费实践长，一般只适用于公路管理机构在长期的监测

过程中用于评估，而且其评估也仅是一种模糊的估计，与实际承载力尚有一定的

出入。

分析计算法首先对被检定的桥梁结构进行检查（搜集资料、现状检查、材质

及地基的检验等），然后将检查所得的有关资料和检测测量结果，运用桥梁结构

计算理论及有关的经验系数进行分析计算，从而评定出桥梁的安全承载力。

这种

从调查入手，利用计算理论及经验系数分析计算出折算和理论计算两种方法。

分析计算法一般又分为经验系数折算和理论计算两种做法。

经验系数折算法是以桥梁原有设计荷载等级为基础，同时考虑桥梁损坏程

度、材料老化程度、桥面行驶条件、实际交通情况、桥梁建造使用期限等因素，

折算求出桥梁安全承载力的方法。

桥梁安全承载力由下式求得：

P=P0×K1×K2×K3×K4

式中：

P－被检定桥梁的安全承载力；

P0－被检定桥梁的基本承载力，即原设计承载力；

K1－残存承载力系数，根据桥梁结构损坏程度、材料老化程度而定

的系数；

K2－桥面行驶条件好坏的系数；

K3－反应实际交通情况的系数；

K4－桥梁建设使用年限系数。

利用各种系数而对桥梁基本承载力进行折算，此外的关键问题是确定各种系

数，系数的建立必须经过广泛的调查研究。

目前，由于这种研究工作做的不多，

系数较难确定，故此法采用的不多。

理论计算的做法是当原桥荷载等级不清楚，或上述的各种系数较难确定时，

应用结构计算理论，估算出桥梁可能承受的最大外力（如弯矩），然后，再与实

际检定的荷载相比较，从而判断出桥梁安全承载力的方法。

分析计算法实际上是按桥规进行验算，他所评估出的承载力实际上是设计能

力，是从理论方面去考虑的，从方法上说是简便易行的，从费用上说是经济的，

它的不足之处是偏于理论上的考虑，与实际的承载力仍然存在着差异，因此他从

使用角度上看，便显得有些不够经济。

荷载实验法（实载法）桥梁试验应逐级加载，以等于或稍大于实际将要通过

桥梁的荷载值作为试验荷载，实测桥梁各主要部位在荷载作用下的反映，如挠度、

应变、应力、裂缝开展等数值，然后通过分析比较，得出当挠度值、应变、应力

值及裂缝宽度值小于规范值所对应的荷载等级，该荷载等级就是桥梁可通过的安

全承载力。

静荷载实验法能够准确地评估出桥梁静态的承载力，具有很强的安全性、可

靠性，但它也存在不足之处，静荷载实验时需要关闭交通，对于僻静道路上的桥

梁尚且可行，但对于干道上而且无旁道的桥梁，这几乎是不现实的，这是此法最

致命的弱点；而另一个不足是：

桥梁是在动态下工作的，虽然在静荷载下某些桥

梁的承载力尚能满足要求，但在动载下则可能不满足，甚至会出现严重的问题。

动态法则是以动态试验的结果作为进行评估的一种方法，它是利用冲击荷载（如火箭等）、车激（跳车、刹车）及随机激振（如风载、地动及频繁地过往车辆）来测得振动数据，然后经数据分析处理后，提取与桥梁承载力有关的特征参数来进行评估。

目前动态法尚处在发展阶段，世界一些发达国家都在这方面进行探索，还没有统一标准。

动态法的优点是评估的数据获取条件与工作条件相近，且不必关闭桥梁。

目前，动态参数与动静承载力的关系尚有待进一步研究。

本文着重研究静荷载试验方法。

2.3静荷载试验法

静荷载实验法，是在桥梁上加上实际荷载来评价桥梁的承载力，目前国内外

比较多的采用这种方法，此法被认为是比较成熟的，且能够正确的反映桥梁的静

态承载力。

静荷载试验法有几种情况，一是按照“桥规”给定的标准荷载（如汽

-20或挂-100等）对实桥施加静载，测得挠度f、裂缝δ、应变ε、横向分布系数η及根据实测值换算的结构刚度EI与理论值进行比较，符合要求则被认为结构抗力能满足相应荷载效应的要求，结构处于安全工作状态；反之需要做加固或进行必要的技术处理，这种方法多用于新桥验收使用，看其是否满足设计荷载要求，如能满足要求便认为此桥合格，至于它尚有多少潜力，这不是评估所关心的。

二是在不进行桥梁破坏的状态下，确定其最大的承载力，在第一种方法的基础上，按结构外荷载与产生的f，ε等影响应呈线性关系的弹性工作原理，绘制P−f，P−ε，P−δ曲线，从而外推算出该桥的承载力，当然这种承载力的准确性取决于外推曲线的正确性，此种方法多用于普通桥梁因特殊原因要过超载车辆时的评估，以确定能否通过大型车辆。

三是对一些废弃或即将拆除的旧桥进行试验，此种试验纯属研究性质，它采取的方法是破坏性加载试验，在桥下先安装好防护装置，然后逐级加载测试，直至破坏，从而得到科学实验的数据，此种试验属破坏性的实验。

3.双铰型上承式拱桥施工工艺

3.1引桥施工

3.1.1桩基施工

1.施工准备

在桩基施工前，清除桩基位置上的杂物，整平场地，用推土机碾压密实，使

机械能顺利进场，且在施工中使钻机保持稳定。

采用全站仪、经纬仪测定桩孔位

置，并埋设孔位护桩。

2.泥浆制备

泥浆制备选用优质膨润土造浆，设置泥浆池，泥浆比重控制在1.1~1.3范围。

试验泥浆的全部性能指标，并在钻进中定期检验泥浆比重、粘度、含砂率、胶体率等，填写泥浆试验记录表。

泥浆循环使用，废弃泥浆沉淀后运至业主指定的位置。

3.埋设护筒

开挖埋设护筒前，应先探明地下管线，没有地下管线时方可开挖，如有地下

管线，应及时与业主、设计院及有关产权单位联系。

孔口护筒采用4～6mm钢板

制作，内径比桩径大30cm，长度为2.0m。

采用人工开挖埋设护筒，护筒底部与

土层相接处用粘土夯实，护筒外面与原土之间也要用粘土填满、夯实，严防地表

水顺该处渗入。

顶部高出施工地面30cm～40cm，钢护筒筒底的高程符合设计要

求。

护筒埋设准确竖直，护筒孔口平面位置与设计偏差按小于5cm控制，护筒

竖向的倾斜度不大于1%。

4.成孔试验

施工时先在不同区段进行成孔试验，根据地质条件、钻机性能等选择合理的泥浆配置、各阶段的进尺速度、清孔方式与时间等钻进参数。

获取较为详细的地

质条件参数和可靠的钻孔参数，并根据获得的技术数据及时修正钻孔参数，以保

证钻孔质量。

5.成孔

1）钻孔

钻机就位时用方木垫平，将钻头中心线对准桩孔中心，误差控制在2以内。

钻进方式采用正循环旋转钻机钻进，钻孔过程中，孔内严格保持泥浆稠度适

当、水位稳定，及时加泥浆，以维持孔内水头差，防止坍孔。

并对钻碴作取样分

析，核对设计地质资料，根据地层变化情况，采用相应的钻进参数、泥浆稠度。

钻进过程中，经常测定钻孔深度、倾斜度，发现问题，及时处理。

2）故障预防与处理

a）钻孔偏斜。

安装钻机时保证钻杆、钻头及护筒三者均在同一竖直线上，并经常进行检查校正。

钻杆、接头及时调整，防止弯曲。

在出现钻孔偏斜后，查明偏斜位置和深度，一般在偏斜处反复扫孔，使钻孔垂直。

倾斜严重时回填粘土到偏斜处，待沉积密实后再钻；

b）糊钻。

在软塑状土层中旋转钻进时，因进尺快、钻碴大，出浆口堵塞后易造成糊钻（吸钻）。

一般采取控制进尺速度，选用刮板齿小，出浆口大的钻头，以防糊钻。

如糊钻严重，将钻头提出孔口，清除钻头残碴。

c）缩孔、扩孔。

为防止缩孔，施工时采用上下反复扫孔的方法，并及时补焊钻头，防止因钻头磨耗使钻孔孔径小于设计桩径。

3）施工注意事项

a）保证钻杆垂直，初钻时，以低档慢速钻进，且护筒内有一定数量的泥浆方可钻进，每台钻机配备两套泥浆泵轮换使用，经常检查排浆系统，加速泥浆循环。

b）根据不同土层，选用不同的钻进速度和钻进方式。

c）起落钻头均匀，避免撞击孔壁；接卸钻杆时采取可靠措施，严防钻头脱落；钻杆拆除后，进行检查清理，涂油保养。

3.1.2承台施工

桩施工流程：

基坑开挖—凿桩头—施工垫层—绑扎钢筋—立模板—砼浇筑—

拆模养生。

1.基坑开挖

1）先进行地下管线调查，无地下管线时方可施工，如有地下管线，及时与

业主及设计院联系，协商处理办法后方可继续施工。

2）复核基坑中心线、方向、高程，开挖坡度采用1:

0.75，遇到不良地质条

件时可适当放缓坡比，基坑底面尺寸为长a+200，宽b+200，a为承台长，b为承台宽，则地面开挖尺寸为（a+200）+0.75×h，宽为（b+200）+0.75×h，h为承台埋深。

3）承台基坑采用挖掘机开挖，人工配合。

挖至距承台底设计标高约20cm

厚的最后一层土，采用人工清底、挖除修整，以保证基底土结构不受破坏。

如施工时发现基坑在地下水面以下时，可用木板桩支撑，边开挖，边设撑。

对需要设挡板支撑的基坑，根据施工现场条件，在基坑四周每30cm打一根木桩（或钢管），在木桩（钢管）后设2～4mm厚的木板（或钢板），防止边坡坍塌。

4）基坑排水：

一般采用汇水井排水，在基坑内承台范围外低处挖汇水井，并在周围挖边沟，使其低于基坑底面30～40cm。

抽水采用抽水机。

抽水时需有专人负责汇水井的清理工作。

2.凿桩头

确定承台底标高，按设计图纸将桩顶砼凿至顶面高出承台底设计标高的15cm处，将主筋从桩顶外露86cm左右处截断，主筋向外弯15度，恢复桩顶的

主筋。

凿桩头完成后，即进行桩基检测。

所有桩基均进行检测，合格后方可进行

下道工序施工，若不合格，应立即处理。

3.施工垫层

放样出垫层四角边线，在四周立模，放样出垫层顶面的标高。

注浇C10砼。

4.绑扎钢筋

1）钢筋接长采用单面焊，焊接长度为10d。

2）钢筋在钢筋棚加工，严格按照施工规范、图纸加工。

3）在垫层顶面用粉笔划出N1、N2号筋的位置。

绑扎顺序为：

N2—N1—N5

—N3—N4—N6。

钢筋现场绑扎，严禁漏绑。

4）在承台钢筋顶面放样出墩柱预埋钢筋的位置，墩柱主筋伸入承台1.3m。

5）在钢筋与模板之间设置砼垫块，垫块与钢筋扎紧，并相互错开。

5.立模板

1）承台模板采用组合小钢模板，钢模板使用前要除锈、刷油，检查模板有否变形。

几块组装成一组立模，让模板内侧靠紧承台边线。

2）模板加固采用内拉外撑的方式，模板内侧可利用上、下层的N1、N2、

N3、N4作内拉杆，每0.6m一道，外侧用钢管和方木做外撑。

6.混凝土浇筑

1）砼用输送车运到现场，采用滑槽送砼至灌砼部位。

混凝土自由下落高度

不得超过2m。

2）混凝土采用水平分层浇注，分层厚度不超过30cm。

采用插入式振捣棒振

捣，应插入下层砼8cm左右，插入间隔小于其1.5倍作用半径，不得漏捣和重捣。

每一层应边振动边逐渐提高振动棒，应避免碰撞模板。

3）浇筑过程中，设专人负责检查模板、钢筋和墩柱预埋钢筋的稳定情况，发现问题，立即处理。

浇至设计标高后，振捣时观察砼不再下沉，表面泛浆，水平有光泽即可缓慢抽出振捣棒，防止砼内产生空洞。

7.拆模养生

砼浇筑完成后，对承台顶面进行修整。

抹平定浆后，再一次收浆压光（墩柱

处混凝土应拉毛），表面用草袋覆盖，洒水养生，养护时间不少于7天。

当砼达

到一定强度后拆模，并回填压实。

4.结论

由于开发区西区中心庄路-京津塘高速公路拱桥的结构设计十分新颖，线主桥采用跨径为70米的双铰型上承式拱形结构，结构构件纤细轻巧，体现了设计的先进性和经济性。

然而，该拱桥的结构受力和施工工艺十分复杂，且施工难度大，所以本文对双铰型上承式拱桥的施工工艺与检测进行了详细的分析研究，

以下为本文的主要工作与成果：

1.对几种拱桥承载力检测方法进行对比分析，重点对工程中常用的静荷载试验法的理论基础、数据分析以及桥梁承载能力与工作情况的评定进行了分析。

2.结合本文具体工程实例中引桥施工、拱桥施工以及桥面及附属结构的施工过程对双铰型上承式拱桥的施工工艺进行详细的研究；找出了适合本工程拱桥施工中关键环节主桥拱肋吊装的施工工艺，即：

先试验，后吊装；先下行，后上行；分片对称吊装，横向、纵向依次连接，最后湿接形成整体；依次成组落架，边落架边张拉，最后实现体系转换。

该施工工艺确保了开发区西区中心庄路-京津塘高速公路拱桥结构施工的可靠性和安全性，为完善此类桥梁结构施工技术奠定坚实的基础。

3.通过对开发区西区中心庄路-京津塘高速公路拱桥的全桥和施工各阶段进详尽的分析，确定了对该拱桥的施工全过程中各关键构件的应力和变形的变化情况进行实时的跟踪测试的方法，并对该拱桥成桥后的承载能力进行成桥车载试验。

4.静载试验通过测试拱桥在试验荷载作用下的控制截面应变、位移或裂缝分析判断拱桥的承载能力。

当校验系数（实测结果与理论计算结果之比）小于1时，判定结构满足计算荷载要求，校验系数越小说明安全储备越大。

校验系数过大或过小都应该从多方面分析原因：

校验系数小可能说明实际材料强度及弹性模量较高，拱上建筑与拱圈共同作用其整体受力状况较好等，校验系数过小可能由于结构偏安全、不经济；校验系数过大可能说明组成结构的材料强度较低，结构各部分连接性较差、刚度较低等。

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