大跨度鋼桁架系桿拱橋施工監(jiān)控技術(shù)研究

賴允深，黃天立

（1.贛州市中心城區(qū)贛南大道建設(shè)指揮部，江西贛州 341000；2.中南大學(xué)土木工程檢測(cè)中心，湖南長(zhǎng)沙 410000）

0 前言

鋼拱橋以其外形雄偉壯觀、用鋼量較省、跨越能力較大等優(yōu)點(diǎn)，在城市橋梁的建造中是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的方案，越來(lái)越受到人們的重視和歡迎。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)建造了一批大跨度鋼拱橋，如上海盧浦大橋（中承式鋼箱系桿拱橋，主跨550 m）、重慶朝天門(mén)大橋（中承式鋼桁架系桿拱橋，主跨552 m）、重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋（剛構(gòu)與鋼箱系桿拱、桁梁組合結(jié)構(gòu)，主跨420 m）、廣州新光大橋（三跨連續(xù)鋼桁拱橋，主跨428 m）、大寧河大橋（三拱肋上承式鋼桁架拱橋，凈跨400 m）、常州新龍大橋（30.7 m+100 m+30.7 m三跨連續(xù)中承式鋼桁架拱橋）、寧波灣頭大橋（48 m+180 m+48 m三跨連續(xù)下承式鋼桁架拱橋）等[1-5]。

在鋼拱橋的建造過(guò)程中，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力性能（線形和應(yīng)力）一直是設(shè)計(jì)和施工單位十分關(guān)注的重要問(wèn)題。本文以贛州市贛南大道新世紀(jì)大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了此類大跨度鋼桁架系桿拱橋采用懸臂拼裝施工過(guò)程中的監(jiān)控技術(shù)，在有限元理論計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中各關(guān)鍵控制截面的應(yīng)力以及各控制點(diǎn)線形，并與理論值進(jìn)行對(duì)比，分析誤差原因，采取相應(yīng)的調(diào)控手段，確保了拱肋順利合龍、成橋線形和應(yīng)力狀態(tài)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

新世紀(jì)大橋是贛州市贛縣至南康連接線（贛南大道）上跨越章江的一座橋梁，該橋全長(zhǎng)1192.34 m，其中主橋?yàn)?0 m+168 m+50 m三跨連續(xù)中承式鋼桁架系桿拱橋，邊中跨比為0.268。主橋立面布置見(jiàn)圖1。

拱肋由2片桁架和5道風(fēng)撐組成，2片桁架橫向中心距27.1 m，上弦桿由一段圓曲線，一段直線和一段拋物線組成；中跨下弦桿為二次拋物線，矢跨比1:3.5，邊跨下弦桿為懸鏈線，m=8。拱肋上弦桿采用1.3 m×1.5 m鋼箱結(jié)構(gòu)，下弦桿采用1.5 m×1.5 m鋼箱結(jié)構(gòu)，拱頂斷面總高度5.5 m。腹桿采用1.5 m×0.5～0.8 m工字型斷面。中跨桁架拱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間間距3.5m，支點(diǎn)附近采用變間距，最大間距邊跨直腹桿間距5.8m。下弦桿在拱腳采用固結(jié)。橋面結(jié)構(gòu)由鋼系梁、鋼橫梁、鋼小縱梁、人行道挑梁和鋼筋混凝土橋面板組成的鋼、混凝土組合梁結(jié)構(gòu)體系。中跨系梁采用1.5 m×1.5 m的開(kāi)口式∏型結(jié)構(gòu)，邊跨系梁采用1.5 m×1.5 m的封閉箱形結(jié)構(gòu)。橫梁采用工字型結(jié)構(gòu)，跨中梁高3 m（含混凝土橋面板）。小縱梁間距2.6 m，梁高0.7 m。人行道挑梁懸臂長(zhǎng)度6.2 m。系梁在拱梁固結(jié)處斷開(kāi)，設(shè)置牛腿。中跨系梁通過(guò)圓板式橡膠支座擱置在牛腿上。風(fēng)撐采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，由上下弦桿和腹桿組成。邊跨和中橫梁附近下弦桿間設(shè)置下平聯(lián)，在中橫梁橫斷面處從拱腳到中橫梁間設(shè)置兩道斜撐。吊桿及橫梁間距7 m，采用PES7-121平行鋼絲；系桿索采用四根PESFD7-421平行鋼絲，系桿索從系梁兩側(cè)通過(guò)，錨固在邊跨系梁側(cè)面的鋼錨箱上。在穿過(guò)的每道橫梁和挑臂腹板處設(shè)置拖架。橋墩采用變寬度圓臺(tái)形實(shí)體橋墩，橋墩截面為圓端形。承臺(tái)采用圓形承臺(tái)，半徑7.5 m?；A(chǔ)采用6根直徑2.6 m的鉆孔灌注端承樁基礎(chǔ)。

新世紀(jì)大橋鋼桁拱、鋼橋面體系采用工廠制作，預(yù)拼成整體節(jié)段，采用纜索吊機(jī)進(jìn)行節(jié)段整體定點(diǎn)起吊、安裝的施工方案。邊跨拱肋采用散件拼裝，利用臨時(shí)墩支架輔助懸臂施工，每片中跨拱肋包括14個(gè)整體吊裝段和1個(gè)合龍段，采用扣索輔助纜索吊懸臂安裝。為控制拱肋線形，在吊裝至第4、5、6段時(shí)分別設(shè)置扣索，并利用扣索調(diào)節(jié)桁架拱肋線形以及合龍口位移和轉(zhuǎn)角，最后跨中合龍?？鬯饕欢送ㄟ^(guò)索塔頂部的散索鞍轉(zhuǎn)向后進(jìn)入后地錨張拉段，另一端則分別錨于中跨拱肋懸臂的第4、5、6段。索塔采用主、扣塔合一的方案，考慮施工場(chǎng)地地質(zhì)情況以及施工吊裝凈空要求，東北岸索塔高80 m，西南岸索塔高82 m，索塔頂面標(biāo)高距離拱頂標(biāo)高30.5 m。

2 施工過(guò)程有限元仿真計(jì)算分析

2.1 施工階段劃分

根據(jù)新世紀(jì)大橋施工過(guò)程中拱肋、主梁節(jié)段的吊裝步驟，將其施工階段劃分22個(gè)施工階段，見(jiàn)表1。

表1 施工階段劃分

2.2 有限元計(jì)算模型

采用空間有限元分析軟件Midas/Civil 2006建立了模擬新世紀(jì)大橋施工過(guò)程的仿真計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。

圖2 新世紀(jì)大橋施工階段全橋模型

在計(jì)算模型中，采用了如下假定：

第一，計(jì)算模型中鋼桁桿件均按空間梁?jiǎn)卧M；索采用桁架單元模擬；橋面板按板單元模擬，橋面鋪裝等二期恒載等以荷載作用在橋面板、梁?jiǎn)卧?，采用平均荷載直接分配到梁上。

第二，采用Midas/Civil 2006施工階段累加模型分析功能，計(jì)算中累加各個(gè)施工階段的結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析。

第三，考慮時(shí)間依存特性的效果和索初拉力類型，還考慮了施工階段新激活單位的初始切向位移。新安裝的單元考慮其由于已安裝單元轉(zhuǎn)角引起的初始位移，根據(jù)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度法進(jìn)行施工階段控制分析。

第四，計(jì)算中拱腳與橋墩按剛性連接考慮；施工過(guò)程中未考慮各支點(diǎn)由于地質(zhì)情況引起的支點(diǎn)沉降。

第五，為準(zhǔn)確模擬節(jié)段拼裝時(shí)扣索被動(dòng)增加的索力及主體結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)，計(jì)算模型中考慮扣索塔架與主體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并假定第一次掛設(shè)扣索前扣索塔架處于豎直狀態(tài)。

模型中采用的計(jì)算參數(shù)如下：

（1）幾何參數(shù)

大橋主體結(jié)構(gòu)各桿件的幾何特性和材料特性按原始設(shè)計(jì)圖紙采用，索塔各桿件的幾何特性和材料特性按施工方案采用，其中扣索采用1860 MPa，直徑15.2 mm的鋼鉸線。

（2）荷載參數(shù)

a.自重：由于一些板件，如節(jié)點(diǎn)板、橫隔板等，其重量在桿系計(jì)算模型中不易模擬，本工程通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)桿系模型自重乘以自重系數(shù)來(lái)反映。

b.橋面鋪裝、人行道、欄桿及分隔帶附加荷載等二期恒載按照施工實(shí)際重量采用，以荷載作用在橋面板、梁?jiǎn)卧?，采用平均荷載直接分配到梁上。

2.3 典型施工工況下有限元模型計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，本文僅給出幾個(gè)典型施工工況下結(jié)構(gòu)懸臂端位移（或結(jié)構(gòu)最大、最小位移）、主桁桿件最大拉、壓應(yīng)力以及各臨時(shí)支墩反力等計(jì)算結(jié)果[6]，典型施工工況包括中跨最大自由懸臂工況，即吊裝完成中跨拱肋節(jié)段4（CS7）、中跨拱肋無(wú)應(yīng)力合龍工況，即中跨拱肋節(jié)段7（CS 13）、扣索系統(tǒng)拆除工況（CS15）、系桿第二次張拉工況（CS21）以及成橋工況（CS22）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，表中x為順橋向位移，以P8墩邊跨拱肋起點(diǎn)為原點(diǎn)，向P11墩為正；z為豎向位移，以向上為正；△X、△Z是相對(duì)于設(shè)計(jì)圖紙拱肋各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的位移值；計(jì)算的應(yīng)力為鋼梁桿件名義應(yīng)力，內(nèi)力和應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)；支座反力以受壓為正，受拉為負(fù)。由表2結(jié)果可以看出，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力、位移等均符合設(shè)計(jì)與安全要求。施工過(guò)程中主桁桿件最大應(yīng)力為129.7 MPa，小于構(gòu)件鋼材的容許應(yīng)力。

由中跨拱肋無(wú)應(yīng)力合龍工況（CS13）計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)扣索3張拉完成后，拱肋懸臂前端位移值（△X=11.0 mm,△Z=-28.1 mm）較小，完全可以通過(guò)最后一個(gè)拱肋節(jié)段的長(zhǎng)度配切實(shí)現(xiàn)拱肋無(wú)應(yīng)力合龍，表明本橋所采用的中跨拱肋懸臂拼裝，扣索輔助調(diào)節(jié)線形中跨合龍的施工方案是可行的。

3 施工監(jiān)控實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

施工監(jiān)控的目的就是通過(guò)監(jiān)控計(jì)算、監(jiān)控測(cè)試和監(jiān)控測(cè)量和反饋控制等手段，使最終實(shí)際成橋狀態(tài)逼近設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全，防止各種指標(biāo)超限。在本橋的施工監(jiān)控工作中，采取以線形監(jiān)控為主，應(yīng)力監(jiān)控為輔的原則，確保拱肋懸臂拼裝的順利合龍、成橋后拱肋和主梁的線形符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求以及施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)力水平處于安全范圍之內(nèi)。

3.1 拱肋線形

線形監(jiān)控過(guò)程中，在每一個(gè)拱肋吊裝節(jié)段上弦桿的懸臂前端設(shè)置了線形觀測(cè)控制點(diǎn)，通過(guò)全站儀監(jiān)測(cè)其里程、標(biāo)高及軸線偏差。

在中跨懸臂拼裝過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各吊裝節(jié)段（JD8至JD2）上弦桿懸臂前端的線形，并與理論值進(jìn)行比較，分析誤差原因，及時(shí)采取調(diào)整節(jié)段預(yù)抬量、調(diào)整扣索的布置以及扣索力等線形調(diào)整措施，拱肋合龍前標(biāo)高誤差-22 mm，合龍口相對(duì)標(biāo)高誤差為零，實(shí)現(xiàn)了拱肋的順利合龍。

圖3（a）給出了中跨拱肋懸臂拼裝過(guò)程中各節(jié)段上弦桿懸臂前端線形控制點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值和理論值數(shù)據(jù)。由圖可見(jiàn)，在中跨拱肋懸臂拼裝過(guò)程中，上弦桿懸臂前端撓度實(shí)測(cè)值和理論值吻合程度較好。在中跨拱肋節(jié)段JD8至JD5的吊裝過(guò)程中，即扣索1張拉之前，拱肋處于懸臂狀態(tài)，拱肋懸臂前端計(jì)算撓度為-20 mm，實(shí)測(cè)值為-14 mm，實(shí)測(cè)值較理論計(jì)算值偏?。浑S著扣索1的張拉以及后續(xù)拱肋節(jié)段JD4、JD3的吊裝并相應(yīng)張拉扣索2、扣索3，拱肋節(jié)段JD3懸臂前端撓度為-31 mm；由理論分析可知，在拱肋節(jié)段JD2吊裝后，由于JD2的自重作用，拱肋節(jié)段JD2懸臂前端的撓度將繼續(xù)增大，因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，與JD2拱肋吊裝同步施工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)拱肋上三道扣索力（即扣索1至扣索3）使得拱肋合龍前JD2懸臂前端的撓度控制為-22 mm，兩相對(duì)JD2節(jié)段（即合龍口）的標(biāo)高誤差為零，符合施工規(guī)范關(guān)于拱肋合龍精度的要求，實(shí)現(xiàn)了主拱肋的順利合龍。

表2 典型施工工況下主要計(jì)算結(jié)果

拱肋合龍后，繼續(xù)對(duì)拱肋線形進(jìn)行了復(fù)測(cè)，并與理論線形進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果表明拱肋線形與設(shè)計(jì)線形基本吻合，拱肋標(biāo)高誤差皆控制在3.5 cm以內(nèi)。

圖3（b）、（c）、（d）給出了拱肋合龍后 3個(gè)典型施工工況1/2主拱線形實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，扣索拆除后拱頂最大撓度為-36 mm，中跨鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后拱頂最大撓度為-61 mm，系桿第一次張拉至2800 t后使得主拱上抬，拱頂上撓26 mm，拱頂最大撓度為-35 mm?？傮w而言，主拱實(shí)測(cè)撓度較理論值偏大，但總體偏差幅度較小，控制在3.5 cm以內(nèi)，拱肋線形與設(shè)計(jì)線形基本吻合。

進(jìn)一步分析主拱實(shí)際撓度較理論撓度偏大的原因可能有兩個(gè)：（1）有限元模型分析誤差；模型中主拱肋剛度較實(shí)際剛度偏大，因而造成拱肋撓度理論值偏??；（2）主拱肋的預(yù)拼；考慮到本橋跨度不大以及預(yù)拼方便，本橋的主拱肋沒(méi)有采用與實(shí)際狀態(tài)一致的立拼，而是采用的臥拼，拱肋自重產(chǎn)生的撓度沒(méi)有考慮。

3.2 拱肋應(yīng)力

應(yīng)力監(jiān)控中，在拱肋關(guān)鍵控制截面布置了應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其在施工過(guò)程中的應(yīng)力情況，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，確保施工安全。

圖3 位移歷程

限于篇幅，本文僅給出施工過(guò)程中L/4、L/8、拱腳截面以及邊跨拱腳應(yīng)力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值累計(jì)歷程，見(jiàn)圖4。從圖4（a）、（b）可以看出，邊跨拱腳截面一直處于受壓狀態(tài)，且實(shí)測(cè)值和理論值吻合程度較好，在主拱合龍前應(yīng)力較平穩(wěn)，且應(yīng)力水平較低。隨著主拱合龍后，壓應(yīng)力逐漸增大。從圖4（c）可以看出，中跨拱腳截面上弦桿受拉，實(shí)際值和理論值也較吻合。在最大自由懸臂工況（扣索安裝前）和最大懸臂工況（合龍前）此截面拉應(yīng)力出現(xiàn)兩次峰值，峰值處實(shí)際拉應(yīng)力分別為23.40 MPa、25.86 MPa。隨后應(yīng)力逐漸減小，主拱合龍后應(yīng)力又回到較低水平。由于兩峰值中增加了3道扣索，從圖中可以看出扣索力對(duì)此截面應(yīng)力影響較大，能有效減小該截面的拉應(yīng)力。從圖4（d）可以看出，中跨拱腳截面下弦桿受壓，實(shí)際值和理論值吻合程度較好?？鬯鞑鸪皯?yīng)力水平較低，其后壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)橋面板和濕接縫安裝完成后最大壓應(yīng)力達(dá)到40.06 MPa，從圖4（e）可以看出，L/8截面上弦桿應(yīng)力實(shí)際值和理論值較吻合。在最大自由懸臂工況（扣索安裝前）和最大懸臂工況（合龍前）此截面拉應(yīng)力出現(xiàn)兩次峰值，峰值處實(shí)際拉應(yīng)力分別為8.99 MPa、13.31 MPa。隨后應(yīng)力逐漸減小，并由受拉變?yōu)槭軌?。系桿張拉至2800 t后其壓應(yīng)力為34.50 MPa。從圖4（f）可以看出，L/4截面下弦桿受壓，實(shí)際值和理論值吻合程度較好。且隨著荷載的不斷施加其壓應(yīng)力不斷增大，當(dāng)系桿張拉至2800 t后出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，達(dá)到 42.20 MPa。從圖4（g）可以看出，L/4截面上弦桿應(yīng)力實(shí)際值和理論值也較吻合。在最大懸臂工況（合龍前）和中跨鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后此截面的應(yīng)力出現(xiàn)兩次峰值，峰值處實(shí)際拉應(yīng)力分別為5.13 MPa、28.29 MPa。隨后應(yīng)力逐漸減小，并由受拉變?yōu)槭軌骸？鬯鞑鸪笃鋲簯?yīng)力為20.36 MPa。從圖中可以看出在吊裝中跨鋼結(jié)構(gòu)時(shí)L/4處有反拱的趨勢(shì)。從圖4（h）可以看出，L/4截面下弦桿受壓，實(shí)際值和理論值吻合程度較好。且隨著荷載的不斷施加其壓應(yīng)力不斷增大，當(dāng)系桿張拉至2800 t后出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，達(dá)到29.79 MPa。據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用這種方法很好地解決了鋼梁在澆筑邊跨壓重混凝土?xí)r對(duì)中跨的變形不統(tǒng)一造成中跨標(biāo)高超限的問(wèn)題，而邊跨鋼梁處于自由狀態(tài)，梁體應(yīng)力能夠得到很好的釋放，對(duì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有不利影響，保持了較好的美學(xué)效果。

圖4 拱肋截面應(yīng)力歷程

圖5 預(yù)應(yīng)力筋分批錨固示意圖（單位：cm）

4 結(jié)語(yǔ)

該橋全長(zhǎng)216.25 m，跨高速鐵路施工，受天窗點(diǎn)的影響，混凝土無(wú)法一次性澆筑完成。運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了先澆注邊跨橋面板，再澆注中跨跨中區(qū)段橋面板，最后澆注墩頂橋面板的分段澆筑順序，確保了鋼梁疊合時(shí)面板與鋼梁之間的連接質(zhì)量，能夠使其使用功能得到更好發(fā)揮。

[1]JTG TF50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JGJ 18—2003，鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程[S].

[3]GB 50496—2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].