基于鋼箱系桿拱橋大節(jié)段拼裝施工監(jiān)控技術(shù)研究

孫海鵬

（華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

鋼箱系桿拱橋主要由拱肋、鋼箱系桿、吊桿、橫縱梁、橫撐等構(gòu)件組成。它是將梁和拱兩種基本結(jié)構(gòu)組合起來的拱式組合體系橋，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型美觀、水平推力小的優(yōu)點，在我國公路橋梁建設(shè)中占有著重要地位[1-2]。鋼箱系桿拱橋多采用節(jié)段拼裝法進行施工，先化整為零，后化零為整。將橋梁劃分節(jié)段，在鋼結(jié)構(gòu)工廠預(yù)制成型后運至現(xiàn)場逐段拼裝[3-5]。

然而，在實際施工過程中，由于系桿拱橋跨度較大，利用浮吊分大節(jié)段進行拼裝，技術(shù)復(fù)雜、施工難度大，所以，在施工過程中開展安全、高效的施工監(jiān)控就顯得尤為重要[6-8]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于鋼箱系桿拱橋在施工監(jiān)控方面的研究也在不斷地優(yōu)化和完善。楊坳蘭等[9-11]對施工過程中的大跨度鋼箱系桿拱橋的內(nèi)力和位移進行了分析、計算和預(yù)測，有效地控制了最終線形在設(shè)計允許的誤差范圍內(nèi)。蔣宗全等[12]基于實際工程，分析了鋼箱拱橋架設(shè)過程中線形控制的關(guān)鍵技術(shù)和主要架設(shè)過程，對大跨度鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控起到了一定的借鑒作用。狄生奎等[13]通過計算拱肋節(jié)段自重作用下彈性變形引起的下?lián)希_定了預(yù)抬高值，使得鋼箱系桿拱橋拱肋節(jié)段吊裝后線形滿足要求。

另外，系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工階段受力體系轉(zhuǎn)化次數(shù)較多，系梁、拱肋、吊桿等構(gòu)件難以實現(xiàn)精準(zhǔn)分析?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者多采用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)分析，王福春等[14]利用Midas Civil 軟件對拱肋、拱腳等應(yīng)力集中部位進行了重點分析；張濤等[15-16]分析了不同溫度作用下橋梁的撓度和縱向變形規(guī)律、變形機理等，為大跨下承式鋼箱系桿拱橋的施工控制和性能評估提供了參考。

本文依托蘇州市勝浦大橋改建項目，對大節(jié)段拼裝系桿拱橋提出了系統(tǒng)性的監(jiān)測方法。通過結(jié)構(gòu)特點分析、線形控制、內(nèi)力調(diào)整、模型計算相結(jié)合的方法，確保施工中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)處在預(yù)期范圍內(nèi)。

1 工程概況

1.1 橋梁信息

如圖1 所示，勝浦大橋主橋上部跨徑布置為120+140 m 雙跨簡支下承式鋼箱系桿拱，橫向雙幅。拱肋采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu)，設(shè)兩片拱肋。主橋計算跨徑117/137 m，矢高23.4/27.4 m，矢跨比1/5，拱軸線線型為二次拋物線。拱肋中心橫向距離25.9 m。120 m 主跨每側(cè)拱肋各設(shè)置17 根吊桿，全橋共2×34 根，140 m 主跨每側(cè)拱肋各設(shè)置20 根吊桿，全橋共2×40 根。

圖1 勝浦大橋立面圖

1.2 施工流程

勝浦大橋采用大節(jié)段拼裝，利用浮吊在橋位處安裝施工，如圖2 所示，具體流程如下。

圖2 勝浦大橋施工立面圖

（1）鋼管樁臨時支撐施工。

（2）采用200 t 浮吊船將主橋120 m 跨系桿，橫梁及橋面板分階段吊裝拼接后焊成整體。

（3）在系桿上搭設(shè)豎向格構(gòu)支架，吊裝拱肋節(jié)段及風(fēng)撐節(jié)段，分段拼裝、焊接成整體。

（4）拆除拱肋與系桿間臨時支撐，安裝吊桿。

（5）主橋140 m 跨采用相同方法施工。

（6）拆除臨時支架，澆筑橋面鋪裝，安裝伸縮縫及其他附屬設(shè)施，交工驗收。

2 施工監(jiān)控主要內(nèi)容

2.1 施工監(jiān)測方法

結(jié)合本監(jiān)控項目的實際情況，選用閉環(huán)控制方法。閉環(huán)控制法可以按照性能最優(yōu)的原則對施工誤差進行糾正和控制，使得誤差已經(jīng)發(fā)生的結(jié)構(gòu)狀態(tài)達到最優(yōu)。其基本步驟如圖3 所示。

圖3 施工監(jiān)控方法流程圖

2.2 橋梁特點分析

勝浦大橋主橋為大跨徑寬幅鋼箱系桿拱橋，利用浮吊分大節(jié)段拼裝，技術(shù)復(fù)雜、施工難度大。橋梁由鋼箱拱肋、鋼箱系桿并綴以吊桿，構(gòu)成縱向受力體系。橫梁、正交異性交面板及現(xiàn)澆層等構(gòu)成橋面行車系。橋面恒載及活載通過橫梁作用于系桿，并傳給吊桿和拱肋。拱肋產(chǎn)生的不平衡水平推力通過系桿來承受。經(jīng)分析認(rèn)為，施工關(guān)鍵工序為拱肋系桿的預(yù)制及拼裝成型和分步張拉吊桿力，其特殊的施工方式，使得結(jié)構(gòu)有如下特點。

2.2.1 系梁線形控制難度大

使用大節(jié)段吊裝，系梁節(jié)段跨度大。采用先在支架上簡支安裝，再焊接成形的方式施工，系梁在合龍后，會存在初始變形，如圖4 所示。

由圖4可知，采用先簡支架設(shè)，再在支架上焊接的安裝形式，系梁不可避免的會出現(xiàn)初始變形，這對成橋線形是非常不利的。因此，要確保勝浦大橋線形整體平順、滿足設(shè)計線形，就要根據(jù)大橋支架的布置情況，選擇撓度較大的大節(jié)段，設(shè)置專門的節(jié)段預(yù)拱度，進而確保大橋成橋線形滿足設(shè)計要求。120 m、140 m 跨徑右幅橋梁局部施工預(yù)拱度設(shè)置如圖5、圖6 所示。

圖4 勝浦大橋系桿變形

圖5 120 m 跨徑右幅局部施工預(yù)拱度設(shè)置

圖6 140 m 跨徑右幅局部施工預(yù)拱度設(shè)置

2.2.2 拱肋架設(shè)標(biāo)高控制難度大

勝浦大橋的拱肋，采用在系梁上搭設(shè)支架，大節(jié)段吊裝后再焊接的形式安裝。在拱肋合龍之前，勝浦大橋的拱肋無法形成穩(wěn)定受力的體系，拱肋的自重荷載等作用均需要由支架承擔(dān)，而拱肋支架并非架設(shè)在可靠的地基上，而是在系梁上，部分支架架設(shè)在系梁節(jié)段跨中位置。在拱肋及支架自重荷載作用下，系梁會產(chǎn)生一定的下?lián)?，進而引起拱肋的下?lián)?，如圖7 所示。

圖7 勝浦大橋拱肋架設(shè)階段位移示意圖

2.2.3 大節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)存在初始應(yīng)力

勝浦大橋的支架架設(shè)，與設(shè)計施工流程圖中的支架相比較為稀疏。采用大節(jié)段拼裝施工的方式，簡支狀態(tài)下的系梁不可避免的會出現(xiàn)下?lián)献冃?，在這種狀態(tài)下，系梁焊接合龍，系梁的變形可以利用設(shè)置預(yù)拱度的方式消除，但系梁內(nèi)力無法有效地消除。系梁在合龍狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力如圖8 所示。

圖8 勝浦大橋系梁初始內(nèi)力

結(jié)構(gòu)過大的初始內(nèi)力，會導(dǎo)致橋梁成橋狀態(tài)下的內(nèi)力較大。在橋梁運營后汽車荷載、溫度荷載等活荷載的組合作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅可能較大。

2.2.4 鋼結(jié)構(gòu)溫度敏感性的控制

勝浦大橋全橋為鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)橋梁對溫度效應(yīng)較敏感。受溫度影響，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的位移。以120 m跨徑孔成橋狀態(tài)為例，在降溫30℃的情況下，橋梁位移如圖9 所示。

由圖9可知，勝浦大橋成橋狀態(tài)下，整體降溫30℃的工況下，結(jié)構(gòu)最大位移為43 mm。由此可見，勝浦大橋采用全橋鋼結(jié)構(gòu)的形式，溫度引起的位移響應(yīng)較大，對溫度引起的位移有效預(yù)測和控制至關(guān)重要。此外，溫度變化同樣影響了勝浦大橋的監(jiān)控測量工作，選擇正確合理的測量時間是保證測量精度的重要條件。因此，勝浦大橋的監(jiān)控測量工作擬選擇在氣溫穩(wěn)定的清晨，同時通過計算分析，排除溫度荷載的影響。

圖9 勝浦大橋在溫度荷載下的位移響應(yīng)

2.3 主橋結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測

鋼箱拱肋、系梁采用事先預(yù)制，再逐段安裝的施工方法，其線形主要通過控制加工線形實現(xiàn)。

拱肋、系桿安裝到位后，后續(xù)施工對其線形會產(chǎn)生影響，通過全站儀和水準(zhǔn)儀對拱肋、系桿截面的坐標(biāo)在每一工況后進行測量，測點順橋向布置如圖10 所示（以120 m 跨徑為例），每拱肋在L/4、L/2、3L/4 和拱腳截面各設(shè)一個測點，橫橋向布置在拱肋中心線上。兩側(cè)系桿在L/4、L/2、3L/4 截面各設(shè)一個測點，橫橋向布置在系梁中心線上。

圖10 120 m 跨徑系桿拱橋位移測點布置（單位：mm）

根據(jù)上節(jié)分析可知，節(jié)段跨中處撓度較大，因此根據(jù)分結(jié)果補充測試截面（以120 m 跨徑為例），如圖11 所示。

圖11 120 m 左幅外側(cè)拱肋增設(shè)測試截面（單位：mm）

2.4 支架結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測

為確保施工過程中臨時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，應(yīng)開展支架變位監(jiān)測，如施工過程中土體出現(xiàn)不均勻沉降能夠及時發(fā)現(xiàn)預(yù)警。支架位移建議使用全站儀測量，測點布置如圖12 所示（以120 m 跨徑為例）。

圖12 120 m 跨徑支架位移測點布置（單位：mm）

2.5 應(yīng)力監(jiān)測

系桿在順橋向選擇拱腳、L/4、L/2、3L/4 截面作為應(yīng)力控制監(jiān)測，表面粘貼式應(yīng)變傳感器監(jiān)測系桿上、下緣應(yīng)力。拱肋各選取拱腳、L/4、L/2、3L/4 截面安裝表面式傳感器。測點布置如圖13 所示。

圖13 120 m 跨徑系桿拱橋應(yīng)力測點布置（單位：mm）

結(jié)合計算分析，針對跨徑較大的節(jié)段，增設(shè)應(yīng)力測試截面，如圖14 所示。

圖14 120 m 跨徑系桿拱橋應(yīng)力增設(shè)測試界面（單位：mm）

2.6 吊桿索力監(jiān)測

吊桿索力的大小直接影響到主梁的線形和內(nèi)力的分布情況。勝浦大橋主梁相對于主拱肋剛度較小，吊桿張拉力過大會使主梁變形過大，必須嚴(yán)格控制吊桿內(nèi)力與設(shè)計相符。施工監(jiān)控以主梁高程為輔助，吊桿索力為主，索力均勻無突變。吊桿索力采用索力動測儀或動態(tài)信號測試系統(tǒng)進行測試。

3 施工階段有限元分析

3.1 有限元模型建立

本次計算分析針對勝浦大橋主橋上部結(jié)構(gòu)，主要依據(jù)橋梁施工圖設(shè)計文件，結(jié)合相關(guān)施工方案，進行橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)驗算、施工階段驗算及控制參數(shù)計算。全橋計算模型共有節(jié)點3 441個、單元7 126個，并按設(shè)計文件與施工方案劃分施工階段，計算模型如圖15 所示（以120 m 跨徑為例）。

圖15 勝浦大橋主橋結(jié)構(gòu)計算模型（120 m）

主橋材料：Q355D，容重78.5 kN/m3，彈性模量2.06×108 kN/m2。

吊桿：柔性索型號為7-55、7-73 鍍鋅平行鋼絲，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1 670 MPa，彈性模量≥1.9×10 MPa。

3.2 施工階段有限元分析結(jié)果

根據(jù)施工方案，將橋梁施工階段在有限元模型簡化為8個施工階段，分別為系梁架設(shè)、安裝橫梁、安裝第一段拱肋、安裝第二段拱肋、拱肋合龍、安裝風(fēng)撐、吊桿安裝并張拉、二期施工。

3.2.1 施工階段位移分析

8個施工階段位移分析如圖16（a）-圖16（h）所示。

圖16 勝浦大橋施工階段位移（120 m 跨徑）

3.2.2 施工階段應(yīng)力分析

根據(jù)現(xiàn)有總體施工組織設(shè)計等文件模擬大橋施工過程。為保證鋼構(gòu)件施工過程具備一定的安全儲備，參照J(rèn)TG T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》中施工階段鋼構(gòu)件容許應(yīng)力的相關(guān)要求，取施工階段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力容許值為0.75fy=0.75×270=202.5 MPa。施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力包絡(luò)圖如圖17、圖18 所示。

圖17 勝浦大橋施工階段最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖（-79.2 MPa）

圖18 勝浦大橋施工階段最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖（99.4 MPa）

通過上述分析可知，施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大為99.4 MPa，最小為-79.2 MPa，均滿足規(guī)范要求。為橋梁后期順利施工提供了理論技術(shù)支持。

4 結(jié)論

本文依托勝浦大橋的施工實例，通過橋梁特點分析、線形計算、內(nèi)力控制，并結(jié)合有限元模型分析的方法，提出了一套系統(tǒng)的監(jiān)控方法，為鋼箱系桿拱橋大節(jié)段拼裝的施工監(jiān)控技術(shù)提供了完備的理論依據(jù)，確保了橋梁在施工過程中的結(jié)構(gòu)相應(yīng)處于設(shè)計允許的范圍內(nèi)。主要得到以下幾點結(jié)論。

（1）本文通過有限元模型進行施工階段計算分析，提取了大節(jié)段吊裝系桿時，系桿處于簡支狀下的撓度，并以此預(yù)設(shè)施工預(yù)拱度，使得理論模型更加貼合實際，成橋線形更加準(zhǔn)確。

（2）本文詳細(xì)分析了橋梁結(jié)構(gòu)特點，針對施工過程中的重難點，有針對性地提出了相應(yīng)的施工監(jiān)控內(nèi)容，如臨時支撐檢測、溫度檢測等，為鋼箱系桿拱橋的監(jiān)控技術(shù)提供了新思路、新方法。

（3）通過施工全過程的跟蹤分析計算可知，橋梁結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、撓度均在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，