大跨徑系桿拱橋大節(jié)段安裝過程內力及變形分析

袁 普

（中交三公局第六工程有限公司,河北 石家莊 050000）

0 引言

鋼箱梁系桿拱橋具有跨越能力大、施工效率高、結構自重輕、水平推力小等優(yōu)點，是在國內得到廣泛采用的一類橋梁結構形式。鋼箱梁系桿拱橋大多將系桿及拱肋劃分為多個節(jié)段，在鋼結構工廠內預制成型后運至現(xiàn)場，隨后采用纜索吊裝、懸臂拼裝的方式，將系梁以及拱肋節(jié)段安裝成型。對于采用系梁及拱肋大節(jié)段的系桿拱橋，在拱橋施工過程中，結構的受力與變形特性較為復雜，為了保證施工安全性和成橋精度，需要對施工過程中結構的受力狀態(tài)和變形展開研究。

國內學者針對大跨徑系桿拱橋施工控制這一方面，展開了較為充分的研究[1-2]。李明[3]等結合施工實例對大節(jié)段鋼拱肋吊裝的施工工序進行了研究，結果表明，大節(jié)段鋼拱肋吊裝過程中的內力和線形均能控制在合理范圍內；孫海鵬[4]針對一種雙跨下承式系桿拱橋的大節(jié)段拼裝施工監(jiān)控技術提出一套系統(tǒng)的監(jiān)控方法，并結合有限元分析軟件進行詳細計算，同樣驗證了大節(jié)段鋼拱肋吊裝過程中的內力和線形均能控制在合理范圍內；王建勛[5]等討論了大跨度鋼桁架拱橋先拱后梁施工方法的可行性，并結合工程實際建立了有限元軟件計算模型，分析了大節(jié)段在施工過程中的安全性與可行性，驗證了結構在施工過程中具有良好的強度和剛度，結構的安全性與穩(wěn)定性均能滿足相關規(guī)范要求。

針對鋼箱系桿拱橋在支架斜交布置條件下，采用大節(jié)段吊裝施工的相關研究較少。為了探討在斜交支架布置情況下，采用大節(jié)段按照過程中的受力性能，以清水河大橋為依托開展相關研究分析。

1 工程概述

1.1 橋梁結構特點

清水河大橋主橋采用178 m+85 m 兩跨簡支鋼箱下承式系桿拱橋，橋面全寬24.25 m。178 m 跨徑主跨通過系梁平衡拱腳推力形成整體無水平推力結構。主跨采用全鋼的結構形式，主跨拱肋以及系梁均采用鋼箱梁，橋面系梁采用正交異性鋼橋面板，整體結構自重較輕，主跨軸線與河道線斜交。

主橋跨徑為178 m，拱圈軸線采用二次拋物線，矢跨比為1 ∶4。主跨主拱圈由兩片拱肋組成，其所在平面與水平面正交。主拱拱肋采用單箱單室鋼箱梁，鋼箱高2.6 m，寬2 m，主拱拱肋之間設六道“一”字形風撐；系梁采用單箱單室鋼箱梁截面，梁高2.6 m，寬2 m。主橋共設置27 對吊桿，吊桿采用熱擠壓鋼絞線成品索，拱端采用錨箱式錨固，梁端采用叉耳式錨固。

1.2 施工工藝流程

清水河大橋主跨按照先梁后拱的施工順序，利用浮吊進行系梁以及拱肋大節(jié)段的吊裝工作。主要施工工序介紹如下：

（1）水中臨時施工支架與鋼管式防撞墩施工?？紤]通航需要，施工支架沿橋梁橫向的布置方向與橋梁軸線斜交，并與航道線方向一致。

（2）采用500 t 浮吊船將系梁進行大節(jié)段吊裝，并安裝部分橫梁及橋面板使得兩側系梁形成整體，如圖1（a）所示。

圖1 主要施工過程（mm）

（3）將系梁支架進行接高，形成拱肋支架，利用500 t 浮吊船依次吊裝部分鋼拱肋節(jié)段以及相應風撐，如圖1（b）所示。

（4）拆除拱肋鋼管支架，對稱安裝吊桿并進行第一次張拉，接著拆除系梁支架，形成主結構體系。

（5）利用汽車吊從兩側拱腳依次向跨中完成剩余橋面板安裝，進行吊桿力調整，并完成橋面鋪裝及附屬結構施工。

1.3 施工特點與控制難點

為了提高安裝效率，降低對河道的影響，清水河大橋采用大節(jié)段吊裝進行安裝，節(jié)段長度及吊重見表1。拱肋節(jié)段最大長度57.35 m，最大節(jié)段質量141.3 t；系梁節(jié)段最大長度52.52 m，最大質量152.8 t。主要預制大節(jié)段的跨徑和質量，遠大于常規(guī)的拱肋節(jié)段與系梁節(jié)段，如表1 所示。

表1 節(jié)段尺寸與質量統(tǒng)計表

吊裝節(jié)段的長度和質量遠超過常規(guī)的鋼箱梁節(jié)段。大節(jié)段安裝的過程中，節(jié)段在自重作用下會在節(jié)段的中間位置產生較大的撓度，這會大大增加結構線形控制難度。節(jié)段支架吊裝之后，焊接拼裝之前，節(jié)段中會產生較大的初始正應力與剪應力。而這樣的初始應力會導致橋梁在施工過程中以及運營后的內力較大，大大增加橋梁內力控制的難度。

2 數值計算模型

該次支架結構驗算采用商業(yè)軟件Midas Civil 進行計算?？紤]支架結構的承載特點，在計算時將橋面板體系以外的構件均進行建模，同時將永久結構和臨時結構進行建模，按照實際支撐方式考慮荷載傳遞路徑，模型圖如圖2 所示。

圖2 支架結構計算模型示意圖

模型采用梁單元模擬拱肋和系梁，采用桁架單元模擬吊桿，采用板單元模擬橋面板。全橋共有3 265 個梁單元，668 個板單元，54 個桁架單元。通過調整單元自重系數來考慮實際結構中的系梁、拱肋以及橋面板的重量，采用一般支撐模擬施工過程中的臨時支撐。

為了準確地分析系桿拱橋各施工階段構件受力性能和安全性，按照實際施工過程進行了詳細地模擬，共分為45 個施工階段，這些施工階段包含安裝單元、拆除單元、施加約束、解除約束、施加荷載等工況。

3 大節(jié)段安裝結構變形及受力性能分析

3.1 大節(jié)段安裝結構變形計算分析

采用大節(jié)段吊裝的過程中，由于節(jié)段長度較大，支撐在臨時墩上，節(jié)段會出現(xiàn)較大的撓度變形。為了確保清水河大橋的成橋線形滿足設計要求，過程中橫梁安裝順利，對清水河大橋在安裝過程中的結構變形進行了分析，系梁以及拱肋合龍后，結構變形示意圖如圖3 所示。

圖3 結構變形示意圖

系梁合龍后結構出現(xiàn)的最大豎向變形為34.9 mm，出現(xiàn)在系梁大節(jié)段跨中位置，最大變形為構件長度的L/1 499，拱肋合龍后結構出現(xiàn)的最大豎向變形為42.7 mm，出現(xiàn)在系梁大節(jié)段跨中位置，最大變形為構件長度的L/1 205，從變形與節(jié)段長度的比例開看，構件具有良好的剛度。但由于左右側支架采用與橋梁斜交布置，左右系梁的變形不一致，最大撓度位置不同，對鋼橫梁的安裝對位帶來一定影響。為了應對這種變形不一致，左右側系梁應該設置不同的加工預拱度，確保其按照后在自重作用下兩側系梁的高程相同，滿足鋼橫梁安裝的要求。左右側系梁的合理加工預拱度如圖4 所示。

圖4 系梁施工預拱度示意圖

3.2 大節(jié)段安裝應力計算分析

計算結果表明，采用大節(jié)段安裝過程中，鋼系梁、鋼拱肋及支架在施工過程中出現(xiàn)的最大應力如圖5 所示?？梢钥吹?，系梁合龍后結構出現(xiàn)的最大正應力為53.2 MPa，最大正應力出現(xiàn)在系梁臨時支點之間的跨中位置。在拱肋合龍后，支架結構出現(xiàn)最大應力，支架的最大正應力為74.7 MPa，最大正應力出現(xiàn)在靠梁端側主拱圈拱肋節(jié)段的臨時支點位置。由于系桿拱橋的結構自重相對較小，因此在施工過程中鋼系梁、拱肋、支架的正應力均相對較小，滿足施工過程中臨時狀態(tài)下結構安全控制的要求。

圖5 施工過程鋼結構及支架最大正應力示意圖

在采用大節(jié)段吊裝施工過程中，鋼結構及支架的最大剪應力出現(xiàn)在拱肋安裝完成后。拱肋合龍后結構出現(xiàn)的最大剪應力為18.3 MPa，最大應力出現(xiàn)在拱肋臨時支撐位置。系梁以及拱肋大節(jié)段安裝，初始剪應力相對較小。

參照《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）中對于鋼構件容許抗剪強度以及抗彎強度的相關要求，取施工階段鋼結構正應力設計強度為fd=270 MPa，剪應力的容許值為fvd=150 MPa?？梢钥吹皆谑┕み^程中鋼結構的應力水平均較低，都可滿足強度驗算的要求。同時計算結果表明，鋼結構在成橋運營階段，基本荷載組合對應的最大剪應力為12.9 MPa，最大正應力為81.7 MPa，在運營階段具有良好的承載能力，采用大節(jié)段施工不會引起結構在成橋狀態(tài)時受力狀態(tài)有過大變化。

4 結論

結合清水河大橋的施工方案，對大跨徑鋼結構系桿拱橋采用大節(jié)段吊裝施工過程中的結構受力性能進行了分析，得出以下主要結論：

（1）施工過程中系梁、拱肋的變形均小于臨時跨徑的L/500，整體結構具有良好的剛度。結構自身剛度滿足大節(jié)段吊裝施工的要求。

（2）由于左、右系梁臨時墩布置不對稱，系梁結構的變形具有明顯的不對稱性，需要設置不同的加工預拱度，確保安裝后左右系梁高程對應，滿足橫梁安裝的要求。

（3）在采用大節(jié)段安裝過程中，系梁以及主拱圈合龍后，整體結構的正應力最大為53.2 MPa，最大剪應力為18.3 MPa，應力水平均較低，滿足結構施工過程的受力要求。支架結構的應力狀態(tài)處于合理水平，能夠為鋼結構安裝提供可靠的支撐。

（4）利用大噸位浮吊，采用大節(jié)段吊裝法進行鋼箱拱橋系梁和拱肋安裝是一種合理可行的施工方法，施工過程結構受力狀態(tài)良好，不會對成橋受力狀態(tài)帶來太大影響。