秦淮河157m下承式空間多索面異形系桿拱橋拱肋安裝技術(shù)及監(jiān)控分析

陳建軍，王翰斕，王靜峰,3，陸斐

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215113；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.安徽省先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和城市現(xiàn)代化的要求，城市橋梁已不單單只滿足交通運(yùn)輸功能，各種側(cè)重美學(xué)效果的橋梁結(jié)構(gòu)不斷受到設(shè)計(jì)者的青睞。例如2002年12月15日建成通車的不對(duì)稱系桿拱橋巴西儒塞利諾·庫比契克總統(tǒng)橋（Presi?dent Juscelino Kubitschek Bridge In Brazil），2005年11月建成通車的下承式鋼箱系桿拱橋天津大沽橋等在構(gòu)成交通線的同時(shí)也成為了當(dāng)?shù)刂木坝^。相比于傳統(tǒng)常規(guī)拱橋，異形拱橋在追求美學(xué)效果的同時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性降低[1]，故對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的要求也越來越高[2,3]。

異形系桿拱橋的結(jié)構(gòu)和受力情況隨施工階段的不同而變化，結(jié)構(gòu)在施工中須經(jīng)歷架拱、拆架和落架等施工體系轉(zhuǎn)換過程。由于拱肋造型多變，安裝精度要求高，多種不確定因素可能對(duì)成橋目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生干擾，并可能導(dǎo)致拱肋線形及受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求不符。若拱肋在安裝過程中出現(xiàn)較大偏差，在使用過程中易發(fā)生失穩(wěn)，容易造成較大的安全隱患[4,5]。因此，選用科學(xué)合理的施工技術(shù)和監(jiān)控方法變得非常關(guān)鍵[6,7]。

跨外秦淮河大橋采用下承式空間多索面異形系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式，主梁跨度157m，拱肋采用非對(duì)稱雙向交叉弧形鋼箱拱，對(duì)拱肋的施工精度和線性要求高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和吊裝要求，本工程采用先吊裝下層拱肋，再吊裝上層拱肋的分節(jié)段吊裝拱肋施工技術(shù)；為保障施工安全，對(duì)拱肋安裝全過程進(jìn)行了仿真分析；根據(jù)模擬結(jié)果布置了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)施工全過程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

2 工程概況

跨外秦淮河大橋采用下承式空間多索面異形系桿拱橋結(jié)構(gòu)，主橋全長(zhǎng)157m，寬42m。拱肋采用六邊形異型鋼箱拱，拱軸線采用直線、圓曲線組成，如圖1所示。

圖1 跨外秦淮河大橋

拱肋采用六邊形異形鋼箱拱，拱肋內(nèi)側(cè)為規(guī)則矩形鋼箱，外側(cè)焊接12mm厚裝飾板，形成六邊形異形鋼箱拱，拱軸線采用直線、圓曲線組成。拱肋材質(zhì)為Q345qD，結(jié)構(gòu)壁厚根據(jù)受力不同采用30mm、40mm及50mm三種板厚，橫隔板厚度為16mm和12mm，加勁板厚度為24mm和16mm。

3 拱肋施工技術(shù)方案

3.1 拱肋施工重難點(diǎn)

承天大道跨外秦淮河157m異形系桿拱橋拱肋結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，造型非常規(guī)。拱肋采用六邊形結(jié)構(gòu)，拱肋交叉節(jié)點(diǎn)4個(gè)、拱與梁交叉節(jié)點(diǎn)4個(gè)。根據(jù)本橋特點(diǎn)，拱肋為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、空間扭曲，線形控制難度大，施工中的實(shí)際受力和變形狀態(tài)不確定性較大，應(yīng)對(duì)各施工工程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，以確保拱肋整體線性滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)安全可靠。

3.2 拱肋施工工藝

3.2.1 拱肋節(jié)段劃分

為了滿足拱肋安裝的施工要求，結(jié)合橋型結(jié)構(gòu)寬度、高度及內(nèi)河浮吊現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力，鋼箱拱節(jié)段劃分如圖2所示，其中S2、S5、S10、S13拱肋節(jié)段進(jìn)一步詳細(xì)劃分，以此來保證結(jié)構(gòu)形式滿足水運(yùn)限寬要求。

圖2 拱肋節(jié)段劃分示意圖

3.2.2 拱肋節(jié)段制作

由于部分節(jié)段線形復(fù)雜，需要在工廠內(nèi)進(jìn)行放樣、下料、劃線和焊接等工藝，以保證拱肋在彎曲成型后具有較大曲率。鋼箱拱節(jié)段制造總體流程見圖3。

圖3 拱肋節(jié)段制作流程圖

3.2.3 拱肋支架搭設(shè)

拱肋支架搭設(shè)分兩步進(jìn)行，第一步下層拱肋支架在主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段拼裝完成后搭設(shè)，采用200t汽車吊進(jìn)行；第二步上層拱肋支架在主梁就位，下層拱肋安裝結(jié)束后搭設(shè)，在水中采用350噸浮吊進(jìn)行。上層拱肋安裝最高處達(dá)到45m左右。

拱肋支架采用裝配式格構(gòu)柱形式，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段分別高6.0、3.0、1.0m；連接系采用φ325×6mm鋼管，橫向系桿采用φ 325×6mm，系桿斜撐采用φ89×4mm，拱肋支架通過標(biāo)準(zhǔn)件及連接件組合而成。

3.2.4 拱肋吊裝順序

由于拱肋的吊裝順序?qū)袄吆蜆蝮w的受力影響很大，因此在施工前應(yīng)在拱肋線形和整橋受力、變形滿足設(shè)計(jì)要求的原則下，合理制定拱肋的吊裝順序，拱肋合攏節(jié)段的安裝決定拱肋整體連接性能的好壞，合攏節(jié)段的安裝是施工的關(guān)鍵步驟。

根據(jù)拱肋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用先拼裝下層拱肋，再拼裝上層拱肋的施工順序，拱肋安裝的主要施工工況見表1。

拱肋安裝施工工況 表1

下層拱肋拼裝順序：左側(cè)：S9→S10-2→S10-1→S10-3→S4→S5-3，右側(cè)：S8→S7→S6→S5-1，選取S5-2為合攏段，最后安裝S4段。

上層拱肋拼裝順序：左側(cè)：S0→S1→S2-1→S3，S2-2為合攏段，右側(cè)：S15→S14→S13-3→S11→S12→S13-2，S13-1為合攏段。

4 拱肋施工過程模擬結(jié)果分析

為了保證施工過程的安全，采用有限元分析軟件Midas Civil對(duì)秦淮河特大橋157m異形系桿拱橋的拱肋安裝施工進(jìn)行了全過程仿真模擬，得到了安裝過程中各個(gè)工況上、下層拱肋鋼箱拱的應(yīng)力值和豎向位移。

4.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型拱肋（圖4）部分共有197個(gè)節(jié)點(diǎn)，202個(gè)單元，梁?jiǎn)卧獌啥司捎霉探?。拱肋?jié)段鋼箱梁采用Q345鋼材，所有的截面鋼材厚度均大于16mm，小于等于40mm。模型中考慮恒荷載、施工荷載、溫度荷載和風(fēng)荷載，其中恒荷載根據(jù)橋梁自重的實(shí)際情況添加補(bǔ)重0.15G（包括節(jié)點(diǎn)加勁、螺栓、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等）。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[8]的規(guī)定滿足如下要求：①鋼構(gòu)件的應(yīng)力限值為295MPa；②鋼箱拱受彎構(gòu)件的撓度容許值為L(zhǎng)/400。

圖4 有限元分析模型

4.2 計(jì)算結(jié)果

拱肋安裝過程中各工況的豎向位移見圖5，應(yīng)力分布見圖6。整個(gè)施工過程中拱肋及拱肋支架的最大變形值為-58.28mm，小于392.5mm；拱肋應(yīng)力最大值為-55.30MPa（正、負(fù)代表拉、壓），合龍后拱肋最大應(yīng)力為-96.81MPa，遠(yuǎn)小于295MPa。結(jié)果表明，拱肋在安裝過程中的線形和受力均能夠滿足規(guī)范要求。

圖5 拱肋施工工況豎向位移

圖6 拱肋施工工況應(yīng)力分布

根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于拱肋支架對(duì)于上部拱肋具有支撐作用，拱肋作為未合龍的懸臂結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力較小，但上層拱肋的線形隨施工的變化較為明顯。工況4、工況5和工況6分別上層拱肋左側(cè)合龍和上層拱肋右側(cè)合龍以及拱肋落架，拱肋的最大豎向位移均發(fā)生不同程度的突變。因此在施工過程中應(yīng)對(duì)上層拱肋合龍線形和施工精度進(jìn)行重點(diǎn)把控，降低后續(xù)系桿張拉對(duì)拱肋受力可能造成的不利影響。

5 拱肋安裝監(jiān)控方案

5.1 位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)模擬結(jié)果，拱肋安裝施工的關(guān)鍵步驟包括拱肋吊裝、拱肋合龍和拱肋支架拆除。如圖7所示，為了精確控制標(biāo)高，在各截面編號(hào)之間適當(dāng)布置了控制截面并分別編號(hào)為拱肋A1～16、B1～13和C1～3，每個(gè)控制截面設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，拱肋共計(jì)32個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用精密全站儀加棱鏡模式對(duì)拱肋節(jié)段角點(diǎn)和中點(diǎn)監(jiān)測(cè)各關(guān)鍵控制點(diǎn)的軸線平面位置和高程，用兩臺(tái)高精度全站儀分別架在拱肋的東側(cè)和西側(cè)，獨(dú)立測(cè)量以保證拱肋節(jié)段的空間位置滿足設(shè)計(jì)線性要求。

圖7 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

5.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了獲取拱肋安裝和拱肋支架拆除施工過程中關(guān)鍵拱肋節(jié)段斷面的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)變監(jiān)測(cè)頻次采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)Midas計(jì)算確定拱肋截面的最不利位置。最終在拱肋上布置了14個(gè)應(yīng)力測(cè)試斷面（拱肋截面A～M），每個(gè)控制斷面布置4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，拱肋段共布置56個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖6。各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)儀器安裝時(shí)間與施工進(jìn)程相匹配，并根據(jù)各拱肋節(jié)段的施工進(jìn)度進(jìn)行安裝。

圖8 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

6 監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

6.1 豎向位移分析

由于施工過程中，拱肋支架拆除落架前后，拱肋線性變形最大，該工藝流程為施工過程最不利情況，故選取監(jiān)測(cè)所得到的拱肋落架前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表2）與Midas有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

圖9 落架前后測(cè)點(diǎn)豎向位移對(duì)比

落架前后測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果 表2

根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：

①落架后，由于拱肋B單側(cè)跨度較長(zhǎng)、噸位較大，使得測(cè)點(diǎn)A5以及測(cè)點(diǎn)B10的豎向位移最大，各拱肋在落架后的豎向變形分布情況與模擬結(jié)果保持一致；

②在整個(gè)施工過程中，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差異在±15mm內(nèi)，兩者吻合程度較好，且均未超過L/400限值。

6.2 應(yīng)力分析

選取部分應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)值與應(yīng)力值對(duì)比。由于拱肋測(cè)點(diǎn)是隨施工而增加的，為了能夠反映施工全過程下拱肋的應(yīng)力變化特點(diǎn)，選取測(cè)點(diǎn)E、F、G，對(duì)6個(gè)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況見圖10。

圖10 部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比

①整個(gè)拱肋吊裝過程中，應(yīng)力在工況6的突變較大，拱肋以受壓為主，其余工況的應(yīng)力變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。拱肋吊裝過程中的監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬變化趨勢(shì)基本保持一致。

②整個(gè)拱肋吊裝過程中，模擬值與監(jiān)測(cè)值差異在±9MPa內(nèi)，且遠(yuǎn)小于295MPa，兩者吻合較好。

7 結(jié)論

①分析承天大道跨外秦淮河大橋的拱肋安裝重難點(diǎn)，制定了該下承式空間多索面異形系桿拱橋拱肋吊裝的施工方案與監(jiān)測(cè)方案。

②建立了Midas有限元拖拉模型，分6個(gè)工況對(duì)拱肋安裝進(jìn)行了全過程分析，結(jié)果表明拱肋的變形與受力均滿足規(guī)范要求。

③將模擬和監(jiān)測(cè)結(jié)果中的拱肋節(jié)段測(cè)點(diǎn)豎向位移和應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。通過比較可知，監(jiān)測(cè)和模擬變化趨勢(shì)相同，結(jié)果基本吻合。該拱肋施工技術(shù)合理可行，能夠保證拱肋施工滿足線形和受力要求。