下承式空間多索面異形拱橋的系桿張拉施工技術(shù)及監(jiān)控分析

王杰，錢有偉 （中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131）

1 引言

異形系桿拱橋由于其外形獨(dú)特、造型新穎美觀，成為現(xiàn)代城市景觀橋梁優(yōu)先考慮的橋型之一。該結(jié)構(gòu)形式能夠充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能以及組合作用，因此在近代橋梁領(lǐng)域應(yīng)用逐步增多，例如上海之魚(yú)大慶橋[1]、莆田城港大道跨木蘭溪大橋[2]等。

在異形系桿拱橋吊桿張拉施工全過(guò)程中，由于拱肋的不對(duì)稱性，使得張拉順序和張拉力對(duì)主梁及拱肋的變形、應(yīng)力影響較大。如果不能合理地制定吊桿的張拉順序，有效控制張拉力的大小，合理地確定索力計(jì)算方法，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大影響。李曄等[3]對(duì)大跨徑鋼管混凝土拱橋的張拉索力提出優(yōu)化計(jì)算方法，利用黃金分割優(yōu)化理論對(duì)安裝過(guò)程中的索力進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化理論模型的準(zhǔn)確性。王靜峰等[4]對(duì)針對(duì)濟(jì)南公鐵兩用橋加勁弦和吊桿的受力特點(diǎn)提出了不同的安裝方案，通過(guò)數(shù)值模擬明確了最優(yōu)技術(shù)方案。張振偉等[5]對(duì)秋湖里飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋進(jìn)行參數(shù)分析，研究了不同系桿初拉力對(duì)成橋線形的影響，并設(shè)計(jì)了最佳吊桿張拉方案。

為了確保系桿拱橋在吊桿張拉施工階段的安全性，保證橋梁在使用階段的穩(wěn)定性和耐久性，因此，有必要對(duì)吊桿張拉全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬和施工監(jiān)控分析，確保施工的安全性和橋梁線形與受力的合理性。秦翱翔等[6]對(duì)鄭—萬(wàn)鐵路河南段128m鋼管混凝土系桿拱橋模擬分析了吊桿張拉施工全過(guò)程，并進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。馮志強(qiáng)等[7]對(duì)南水北調(diào)中線某跨徑為103m的鋼管混凝土系桿拱橋進(jìn)行了吊桿張拉監(jiān)控分析，并根據(jù)分析結(jié)果合理調(diào)整張拉力與拱肋線形，評(píng)估張拉方案的可行性。

2 工程概況

承天大道外秦淮河大橋(如圖1所示)位處南京外秦淮河河道上口寬約168m，為157m跨下承式空間多索面異型系桿拱橋。主橋橋面采用整體式正交異性板扁平鋼箱梁。橋梁橫斷面布置為：3.5m(人行道及非機(jī)動(dòng)車道)+4.5m(拱肋及吊桿區(qū))+11.0m(車行道)+4.0(拱肋及吊桿區(qū))+11.0m(車行道)+4.5(拱肋及吊桿區(qū))+3.5(人行道及非機(jī)動(dòng)車道)=42m。橋面設(shè)雙向2%橫坡。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼箱梁橫向分為五個(gè)箱體，跨中高度為3.03m，兩端支座處非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為上下雙層鋼箱梁跨中高度為4.532m。

圖1 跨外秦淮河特大橋

主橋?yàn)榉菍?duì)稱拱橋，拱肋內(nèi)側(cè)為規(guī)則矩形鋼箱，外側(cè)焊接12mm厚裝飾板，形成六邊形異型鋼箱拱，拱軸線采用直線、圓曲線組成。拱肋結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345qD鋼板，結(jié)構(gòu)壁厚根據(jù)受力不同分別采用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 吊桿張拉施工技術(shù)

吊桿采用對(duì)稱張拉的方法施工。根據(jù)吊桿分布，將吊桿以懸掛拱肋的名稱進(jìn)行編號(hào)，共分為3組。拱肋A吊桿DG1a～12a(DG1a’～12a’)24 根，拱肋 B吊桿DG1b～9b(DG1b’～9b’)18根，拱肋C吊桿DG1c～11c 11根，如圖2所示。

圖2 吊桿布置及編號(hào)

從施工角度，應(yīng)盡量減少?gòu)埨螖?shù)；從受力要求考慮，在施工過(guò)程中應(yīng)盡量減小拱肋的彎曲應(yīng)力，并且要考慮成橋后控制截面的受力要求，需要多次張拉，增加了施工難度。以拱肋線形為控制指標(biāo)，采用先張拉A、B長(zhǎng)索控制最高拱頂標(biāo)高，再?gòu)埨趟鰿調(diào)整局部線形的張拉順序來(lái)確保張拉過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形與安全。

索力張拉總原則：先張拉長(zhǎng)索（A、B拱肋），后張拉短索（C拱肋）。其中，A、B拱肋除A1、A2、B8、B9索后張拉外，其余按由中間向兩側(cè)的順序進(jìn)行分批對(duì)稱張拉，然后C拱肋由兩側(cè)向中間進(jìn)行張拉，在張拉完A1、A2、B8、B9索后，張拉C3、C4、C5、C6與C7索。為達(dá)到設(shè)計(jì)成橋索力目標(biāo)，C4索掛設(shè)后不進(jìn)行初張拉或只是初步張緊，張拉的主要施工順序見(jiàn)圖3和表1。

圖3 跨外秦淮河特大橋吊桿主要施工順序

4 施工全過(guò)程仿真模擬

為了準(zhǔn)確反映該橋梁在吊桿張拉施工過(guò)程中的受力特征和變化規(guī)律，本章采用Midas/Civil建立了全橋有限元模型，并對(duì)吊桿張拉施工進(jìn)行了全過(guò)程分析。結(jié)構(gòu)整體模型如圖4所示。

此次設(shè)計(jì)的射頻模塊從天線獲得射頻信號(hào)，通過(guò)變頻產(chǎn)生模擬中頻信號(hào)，并帶有獨(dú)立供電電路的射頻模塊[9-13]。

圖4 全橋有限元模型

該模型共包括1014個(gè)節(jié)點(diǎn)、1602個(gè)單元。其中，主梁和拱腳采用梁?jiǎn)卧⑼ㄟ^(guò)梁格法建立；拱肋采用梁?jiǎn)卧?，并根?jù)施工圖對(duì)拱肋的劃分情況將其離散化處理；吊桿采用桁架單元。為了模擬主梁與底部與滑道梁的接觸，將主梁底部與滑道交接處采用剛域處理。拱腳與水中支架采用固結(jié)邊界條件。拱肋與主梁采用Q345qD鋼材；水中支架采用Q235B和Q355B鋼材，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為215MPa和265MPa；吊桿采用鋼絞線，其斷裂強(qiáng)度為1670MPa。

吊桿張拉全過(guò)程的計(jì)算工況與表1的施工順序?qū)?yīng)。計(jì)算過(guò)程中考慮施工中人工與器械的重量和拼裝中螺栓和端板的重量，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)重，并取自重系數(shù)為1.2。

吊桿施工順序 表1

通過(guò)對(duì)施工過(guò)程正裝分析[8]，得到了各批吊桿的初張拉力，如表2所示。由于不同位置吊桿的張拉會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體的線型和內(nèi)力，因此在吊桿施工的過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拱肋、主梁的變形和應(yīng)力變化。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017）[9]和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64）[10]的規(guī)定，本工程設(shè)置了相應(yīng)的預(yù)警值[11]：

吊桿分批張拉順序及初張拉力(kN) 表2

①鋼構(gòu)件的應(yīng)力限值為215MPa和265MPa；

②主梁最大豎向變形應(yīng)小于L/400，即 392.5mm（L 為主梁的計(jì)算長(zhǎng)度）。

部分施工工況下主梁與拱肋的應(yīng)力和位移分布如圖5所示。在吊桿施工過(guò)程中主梁和拱肋應(yīng)力最大值為110.34MPa，豎向變形最大值為105.3mm，均可以滿足預(yù)警值的要求，驗(yàn)證了跨外秦河特大橋吊桿施工方法及順序可以滿足設(shè)計(jì)要求，能夠保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工提供了合理的計(jì)算依據(jù)。

圖5 跨外秦淮河特大橋吊桿施工主要過(guò)程模擬

5 施工全過(guò)程監(jiān)控分析

根據(jù)Midas/Civil對(duì)各個(gè)工況的計(jì)算，在結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)力變化較大處布置了監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，同時(shí)為了監(jiān)控吊桿張拉力，也在每根吊桿處設(shè)置了監(jiān)控測(cè)點(diǎn)。

5.1 變形監(jiān)控

變形監(jiān)控測(cè)量的主要任務(wù)是測(cè)量張拉吊桿過(guò)程中主梁和拱肋的控制標(biāo)高。采用徠卡TM30自動(dòng)全站儀和Trimble DiNi 03高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。為了精確控制標(biāo)高，在各截面編號(hào)之間適當(dāng)布置了控制截面并編號(hào)主梁1～25，拱肋1～57，主梁每個(gè)控制截面橫向設(shè)3個(gè)標(biāo)高測(cè)點(diǎn)，拱肋每個(gè)控制截面設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，主梁共計(jì)75個(gè)測(cè)點(diǎn)，拱肋共計(jì)57個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 變形測(cè)點(diǎn)布置圖

5.2 應(yīng)力監(jiān)控

應(yīng)變監(jiān)測(cè)頻次采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)計(jì)算確定應(yīng)力測(cè)試截面具體位置，在主梁上布置6個(gè)應(yīng)力及溫度測(cè)試斷面（主梁截面L1～L6）每個(gè)控制斷面布置12個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；在拱肋上布置14個(gè)應(yīng)力及溫度測(cè)試斷面（拱肋截面B1～B7），每個(gè)控制斷面布置4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。全橋共布置156個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，采用JMZX-212表貼式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量，具體見(jiàn)圖7。

圖7 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

5.3 吊桿張拉力監(jiān)控

對(duì)已張拉的吊桿進(jìn)行測(cè)試采用頻譜分析法，采用JMM-268索力動(dòng)測(cè)儀器對(duì)全橋53根吊桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)位置距離下吊點(diǎn)約2m處。

6 施工模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證吊桿張拉施工方案的合理性和有限元模擬值的準(zhǔn)確性，將有限元計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)吊桿張拉施工全過(guò)程做出合理性評(píng)價(jià)。

6.1 變形分析

根據(jù)主梁和拱肋的變形特點(diǎn)，分別選取了部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的對(duì)比，主梁選取了中部3個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)11、測(cè)點(diǎn)21、測(cè)點(diǎn)25），拱肋A～C選取了3個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)A9、測(cè)點(diǎn)B4、測(cè)測(cè)點(diǎn)C2），并對(duì)其進(jìn)行12個(gè)施工工況下的對(duì)比分析。主梁和拱肋的測(cè)點(diǎn)對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 部分測(cè)點(diǎn)變形對(duì)比分析

根據(jù)部分測(cè)點(diǎn)對(duì)比結(jié)果可知：

①有限元模擬計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)總體吻合較好，多數(shù)工況下的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差能夠控制在25mm以內(nèi)，個(gè)別工況下的誤差超過(guò)25mm，但是由于監(jiān)測(cè)值均滿足規(guī)范要求，可以看做其具有一致性，較好地驗(yàn)證了吊桿張拉施工過(guò)程的合理性和安全性；

②水中支架拆除后（工況10），主梁和拱肋測(cè)點(diǎn)的變形值發(fā)生了突變，主梁和拱肋的變形均呈增大趨勢(shì)；

③主梁中部和拱肋B長(zhǎng)拱腳段的變形在吊桿張拉整個(gè)施工過(guò)程中的變形始終較大。

6.2 應(yīng)力分析

根據(jù)主梁和拱肋的受力特點(diǎn)，分別選取了部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的對(duì)比，主梁選取了L1、L3、L6三個(gè)截面共3個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)L1-6、測(cè)點(diǎn)L3-1、測(cè)點(diǎn)L6-7），拱肋A～C選取了3個(gè)截面（測(cè)點(diǎn)A5、測(cè)點(diǎn)B7、測(cè)點(diǎn)C2），并將各截面位置上下測(cè)點(diǎn)最大值作為拱肋上下緣最大應(yīng)力，并對(duì)其進(jìn)行12個(gè)施工工況下的對(duì)比分析。主梁和拱肋的測(cè)點(diǎn)對(duì)比情況如圖9所示。

圖9 部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比分析

根據(jù)部分測(cè)點(diǎn)對(duì)比結(jié)果可知：

①有限元模擬計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本吻合，多數(shù)工況下的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差能夠控制在10%以內(nèi)，個(gè)別工況下的誤差超過(guò)10%，但是由于監(jiān)測(cè)值均滿足規(guī)范要求，可以看做其具有一致性，較好地驗(yàn)證了吊桿張拉施工過(guò)程的合理性和安全性；

②由于設(shè)置了水中支架，工況1～9主梁各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化主要與吊桿張拉有關(guān)，應(yīng)力變化相對(duì)較??；拱肋部分測(cè)點(diǎn)上下緣應(yīng)力變化隨吊桿張拉的進(jìn)行發(fā)生小范圍波動(dòng)。水中支架拆除后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均發(fā)生突變，處部分拱肋測(cè)點(diǎn)，其余主梁和拱肋測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均增大。

6.3 吊桿張拉力分析

通過(guò)初步計(jì)算，長(zhǎng)吊桿所受拉力明顯大于短吊桿，由于拱肋A、B吊桿布置關(guān)于主梁中心線對(duì)稱，實(shí)際施工中對(duì)稱吊桿的內(nèi)力變化較小。根據(jù)初拉力計(jì)算情況選擇單側(cè)吊桿作為對(duì)象，由于篇幅限制，對(duì)鋪設(shè)二期恒載后的吊桿張拉力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如圖10所示。表3列舉了部分吊桿在2～12施工階段下的張拉力。

部分吊桿張拉力 表3

圖10 吊桿張拉力對(duì)比分析

結(jié)合圖表可以得出：

①在未拆除水中支架前，隨著剩余吊桿逐步張拉，先前張拉的部分吊桿內(nèi)力逐漸減小，在拆除水中支架后，所有的吊桿內(nèi)力迅速增大，但其張拉力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值1670MPa；

②部分吊桿張拉力監(jiān)測(cè)值超過(guò)了計(jì)算值的10%，但是總體上模擬和監(jiān)測(cè)效果較好，吊桿張拉力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，變化趨勢(shì)能夠保持一致。

7 結(jié)論

①跨外秦淮河特大橋的結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，吊桿張拉施工對(duì)異性拱的線性控制較為困難，施工難度大。本文提出的“先長(zhǎng)索、后短索分批對(duì)稱張拉”施工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)吊桿安裝、對(duì)稱張拉、線形調(diào)整全過(guò)程精確控制。

②有限元分析能夠準(zhǔn)確模擬吊桿張拉施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和結(jié)構(gòu)整體變形的規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的施工方法能夠有效保證下承式空間多索面異性系桿拱橋在吊桿張拉施工過(guò)程中的安全性。

③本文實(shí)施的監(jiān)測(cè)技術(shù)可以較好地監(jiān)控結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形。監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果具有良好的吻合性和變化的一致性，為橋梁安全施工提供了可靠的信息，同時(shí)也驗(yàn)證了本文吊桿張拉的施工方法可以在同類工程中應(yīng)用。