異型斜靠式鋼箱系桿拱橋仿真分析與施工監(jiān)測

■趙丹丹

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

斜靠式鋼箱系桿拱橋具有外形優(yōu)美、橋下凈空大以及能克服軟弱地基環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，并且能通過內(nèi)傾的邊拱增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)和側(cè)傾能力[4]。 但其還有一個特點(diǎn)，即不同的施工方法會引起不同的成橋線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 此外，結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、材料彈模、溫度變化以及測量誤差等因素，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)值與實(shí)測值存在偏差。 值得注意的是，某些偏差具有累積效應(yīng)，若對偏差不及時加以有效的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的線形將顯著偏離設(shè)計(jì)值，影響成橋的受力狀態(tài)和線形，甚至造成合龍困難。 因此該類橋在施工過程中需進(jìn)行嚴(yán)格的施工監(jiān)控。

本研究通過有限元模型計(jì)算和施工實(shí)時監(jiān)測，對某異型斜靠式鋼箱系桿拱橋施工過程中關(guān)鍵截面的線形、內(nèi)力等指標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，并通過理論值與實(shí)測值的比較和誤差分析，對結(jié)構(gòu)狀態(tài)甚至施工方案進(jìn)行必要的調(diào)整，以得到合理的結(jié)構(gòu)線形，保證結(jié)構(gòu)施工安全。

1 工程概況

某大橋采用斜靠式鋼箱系桿拱橋，主拱跨徑78.33 m，副拱跨徑122 m，橋長112 m，橋?qū)?4～53 m。上部主梁結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)梁拱組合體系，跨徑布置為（14.9+82.2+14.9）m，高度1.6～1.84 m。 下部采用實(shí)體墩臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，臺后18.5 m 范圍內(nèi)路基設(shè)鋼筋混凝土扶壁式擋墻。

橫向按整幅布置，橋面寬度43～53 m，曲線變寬。 具體布置為：（2～6.5）m（觀景平臺）+5.25 m（人行及非機(jī)動車道）+3 m （索區(qū)）+11.5 m （行車道）+0.5 m （隔離欄）+11.5 m （行車道）+3 m （索區(qū)）+5.25 m （人行及非機(jī)動車道）+（2～6.5）m （觀景平臺），雙向六車道。 橋梁布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖

2 有限元模型建立

有限元模型計(jì)算采用正裝迭代計(jì)算，得到有限元模型各施工階段主要部件的位移和應(yīng)力，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對施工階段的主橋拱肋和縱梁進(jìn)行預(yù)拱度設(shè)置。

2.1 模型建立

采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/CIVIL 建立該橋有限元模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，有限元模型見圖2。 在有限元模型中，大橋主拱肋、副拱肋、橫撐、縱橫梁、橋墩、承臺、系梁等構(gòu)件均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。 全橋共1 469 個節(jié)點(diǎn)和2 100 個單元。

圖2 全橋有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

橋墩采用C50 混凝土，拱座采用C40 混凝土、承臺系梁采用C35 混凝土。 其主要力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。拱肋和鋼梁均采用Q345qC 結(jié)構(gòu)鋼；吊索采用Φ5 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絲（fPK=1 770 MPa），規(guī)格為Φ5-121、Φ5-55、Φ5-37。

表1 混凝土材料參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)自重：大橋含主拱、副拱、橫撐、縱橫梁、吊桿，均按照結(jié)構(gòu)實(shí)際截面尺寸計(jì)入。 鋼結(jié)構(gòu)及吊桿容重γ=78.5 kN/m3。 （2）車行道橋面鋪裝：40 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+30 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料；吊索區(qū)橋面鋪裝：25～55 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料；人非混行車道橋面鋪裝：25 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料； 觀景平臺鋪裝結(jié)構(gòu)：25 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料。 （3）全橋吊索區(qū)欄桿總重：43.1 kN；全橋雙側(cè)（中央分隔帶）防撞護(hù)欄總重：186.8 kN；全橋單側(cè)防撞護(hù)欄總重：285.5 kN。 （4）汽車荷載：按城-A 級設(shè)計(jì)，雙向六車道計(jì)算，考慮最不利情況，按各車道的影響線加載。 布載方式、橫向分布系數(shù)、縱向折減系數(shù)和汽車荷載沖擊系數(shù)均按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[5]相關(guān)規(guī)定計(jì)入。 （5）人群、非機(jī)動車荷載：按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11-2011）[6]計(jì)算。

2.3 邊界條件

大橋?yàn)樾笨渴戒撓涔皹蚪Y(jié)構(gòu)，主拱肋在拱腳處與橋面系縱梁固結(jié)， 兩片主拱肋間設(shè)置橫梁連接，副拱拱腳錨固面埋入承臺。 在有限元模型中，邊界約束條件根據(jù)實(shí)橋?qū)嶋H施工過程模擬建立，承臺底均為固結(jié)，承臺與橋墩采用剛性連接，主拱拱腳與縱梁節(jié)點(diǎn)直接單元連接，副拱拱座與副拱承臺直接單元連接，球形鋼支座采用彈性連接模擬簡支邊界，縱橫梁支架及拱肋支架均采用僅受壓邊界模擬。

3 主橋受力分析

3.1 拱肋

二期恒載施工完畢，第二次張拉主拱吊索至目標(biāo)索力后拱肋的內(nèi)力、應(yīng)力和位移如圖3～4 所示。最大軸力為8 650 kN，最大正彎矩為3 090 kN·m，最大負(fù)彎矩為-133 kN·m，最大應(yīng)力為-51.5 MPa；拱頂最大位移為-19 mm。

圖3 拱肋內(nèi)力及應(yīng)力

圖4 拱肋豎向位移

3.2 縱梁

二期恒載施工完畢，第二次張拉主拱吊索至目標(biāo)索力后縱梁的內(nèi)力、 應(yīng)力和位移如圖5～6 所示。最大軸力為3 635 kN，最大正彎矩為3 659 kN·m，最大負(fù)彎矩為-8 025 kN·m，最大應(yīng)力為-63.7 MPa；拱頂最大位移為-20 mm。

圖5 縱梁內(nèi)力及應(yīng)力

圖6 縱梁豎向位移

4 預(yù)拱度設(shè)置

設(shè)置施工預(yù)拱度主要是為了消除施工過程中各種荷載對線形的影響。 預(yù)拱度一般由施工預(yù)拱度和經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度組成，施工預(yù)拱度的設(shè)置主要是考慮施工過程中的自重變形，經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度的設(shè)置主要是考慮后期運(yùn)營過程中的收縮徐變、后期預(yù)應(yīng)力損失以及活載變形。

4.1 拱肋

施工過程中拱肋的豎向位移累計(jì)值取反號得到拱肋的施工預(yù)拱度，拱肋跨中最大施工預(yù)拱度為19.3 mm。 在1/2 活載作用下拱肋位移呈雙拋物線狀，以拱肋跨中的位移為頂點(diǎn)繪制一條拋物線，該拋物線即為拱肋的經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度。 拱肋跨中經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度為5.0 mm。將拱肋的施工預(yù)拱度和經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度相加即為拱肋的總預(yù)拱度，如圖7 所示，拱肋最大總預(yù)拱度為24.3 mm。

圖7 拱肋總預(yù)拱度

4.2 縱梁

施工過程中縱梁的豎向位移累計(jì)值取反號得到縱梁的施工預(yù)拱度，縱梁跨中最大施工預(yù)拱度為19.5 mm。在1/2 活載作用下縱梁中跨位移呈雙拋物線狀，以縱梁跨中的位移為頂點(diǎn)、支座處為起點(diǎn)繪制一條拋物線， 該拋物線即為縱梁的經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度，縱梁跨中經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度為9.6 mm。將縱梁的施工預(yù)拱度和經(jīng)驗(yàn)預(yù)拱度相加即為縱梁的總預(yù)拱度， 如圖8所示，副拱肋最大總預(yù)拱度為29.1 mm。

圖8 縱梁總預(yù)拱度

5 監(jiān)測方案

5.1 縱梁線形測點(diǎn)布置

鋼梁采用分段支架拼裝，縱梁安裝采用人工舉桿方式進(jìn)行安裝精調(diào)到位。 為精確監(jiān)測縱梁后續(xù)施工節(jié)段的變形狀況，設(shè)立能表征縱梁變形特點(diǎn)的控制截面，在每一控制截面頂板前、后端位置布置測點(diǎn)，測得其高程，并以有限元模型計(jì)算值為基準(zhǔn)，在預(yù)期范圍內(nèi)調(diào)整測點(diǎn)高程。 控制截面分別是小里程邊跨L/4、L/2、3L/4，中跨L/4、L/2、3L/4，小里程邊跨L/4、L/2、3L/4，為方便控制縱梁第一段安裝，增加一端頭控制截面，共計(jì)10 個控制截面，每個斷面布設(shè)5 個測點(diǎn)，總計(jì)50 個測點(diǎn)。 具體位置如圖9 所示。

圖9 縱梁線形測點(diǎn)布置示意圖

5.2 拱肋線形測點(diǎn)布置

拱肋安裝時必須保證拱肋軸線、高程和橫橋向位置，使拱肋軸線、高程和橫橋向位置控制在精度范圍之內(nèi)。 拱肋安裝采用人工舉桿方式進(jìn)行安裝精調(diào)到位。 為精確監(jiān)測拱肋后續(xù)施工節(jié)段的變形狀況，設(shè)立能表征拱肋變形特點(diǎn)的控制截面，在控制截面位置處布置測點(diǎn)，測得其高程，并以有限元模型計(jì)算值為基準(zhǔn)，在預(yù)期范圍內(nèi)調(diào)整測點(diǎn)高程。 鋼結(jié)構(gòu)拱橋的線形對于受力影響很大，為精確控制拱肋的空間位置，分別在每一吊桿對應(yīng)拱肋截面下邊緣布置測點(diǎn)，主拱共計(jì)13 個控制截面，每個斷面布設(shè)1 個測點(diǎn)，兩側(cè)合計(jì)26 個測點(diǎn)，副拱共計(jì)19 個控制截面，每個斷面布設(shè)1 個測點(diǎn)，兩側(cè)合計(jì)38 個測點(diǎn)，總計(jì)64 個測點(diǎn)。 具體位置如圖10 所示。

圖10 主拱變位測點(diǎn)布置示意圖

5.3 縱梁應(yīng)力測點(diǎn)布置

根據(jù)橋梁工程相關(guān)規(guī)范要求，對中跨支點(diǎn)、L/4 截面、跨中，邊跨跨中、支點(diǎn)，共計(jì)9 個控制斷面，每個斷面布設(shè)14 個測點(diǎn)， 總計(jì)126 個測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測量。 縱梁應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖11 所示。

圖11 縱梁應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

5.4 拱肋應(yīng)力

根據(jù)橋梁工程相關(guān)規(guī)范要求，對主、副拱肋拱腳、L/4 截面、拱頂?shù)? 個控制斷面，共計(jì)20 個控制斷面，每個斷面布設(shè)6 個測點(diǎn)，總計(jì)120 個測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測量。 拱肋應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖12 所示。

圖12 拱肋應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

6 監(jiān)測結(jié)果分析

在各施工階段過程中，縱梁線形比較如圖13 所示。 最大的軸線偏位為20 mm，最大高差為25 mm，應(yīng)力實(shí)測值與理論計(jì)算值相符，最大應(yīng)力為-25.1 MPa。成橋后，縱梁線形平順，基本貼近設(shè)計(jì)曲線，且具有一定的富余預(yù)拱度，說明大橋主橋縱梁線形良好，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 縱梁線形比較

在各施工階段過程中， 拱肋線形比較如圖14所示。 最大軸線偏位最大為12 mm，最大高差為21 mm，應(yīng)力實(shí)測值與理論計(jì)算值相符，最大壓應(yīng)力為-35.2 MPa，滿足規(guī)范要求。 成橋后，拱肋線形基本貼近設(shè)計(jì)曲線，拱肋線形良好，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 拱肋線形比較

7 結(jié)論

綜上所述，有限元模型計(jì)算分析和施工監(jiān)測可為斜靠式鋼箱系桿拱橋施工控制提供相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和施工數(shù)據(jù)。 通過分析橋梁線形變化和應(yīng)力變化，可有效控制橋梁變形、應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)符合橋梁設(shè)計(jì)要求，并且保證施工過程中受力安全。 成橋后，縱梁和拱肋線形良好，基本貼近設(shè)計(jì)曲線，且具有一定的富余預(yù)拱度，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。