寧波春曉大橋主拱施工關(guān)鍵技術(shù)研究

孟續(xù)東

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

寧波春曉大橋主拱施工關(guān)鍵技術(shù)研究

孟續(xù)東

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

寧波春曉大橋?yàn)?0 m+336 m+80 m的三跨連續(xù)中承式鋼桁架系桿拱橋。主拱邊跨采用支架拼裝，中跨采用纜索吊大節(jié)段+少扣索懸臂拼裝施工工藝。該橋施工過(guò)程復(fù)雜，存在多次體系轉(zhuǎn)換，尤其主拱采用預(yù)偏補(bǔ)償位移法實(shí)現(xiàn)主拱無(wú)應(yīng)力合龍，因此有必要進(jìn)行詳細(xì)的施工階段分析，以確保結(jié)構(gòu)的受力安全和施工的順利進(jìn)行。介紹主橋施工方案，重點(diǎn)研究預(yù)偏位移補(bǔ)償法的力學(xué)原理，并通過(guò)倒拆-正裝有限元計(jì)算方法，研究預(yù)偏位移理論值計(jì)算方法。結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，闡明施工過(guò)程中預(yù)偏位移量設(shè)置的影響因素，對(duì)類似工程具有參考指導(dǎo)意義。

桁架拱橋;大節(jié)段懸臂拼裝;少扣索;預(yù)偏位移補(bǔ)償法;合龍;有限元仿真分析

0 引言

1 鋼桁架拱橋施工方法概述

按照拱架體系的形成方式分類，目前比較成熟的施工方案有：支架法、大節(jié)段整體提升法和斜拉扣掛懸臂法。由于支架法、大節(jié)段整體提升法均對(duì)場(chǎng)地條件、施工設(shè)備的要求比較高，目前采用最多的是斜拉扣掛懸臂法，如大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、朝天門長(zhǎng)江大橋、春曉大橋均采用此種施工方法。按照拱架構(gòu)件的吊裝形式，可以分類為拱上吊機(jī)吊裝法和纜索吊裝法。其中拱上吊機(jī)由于起吊重量的限制，適用于栓焊結(jié)構(gòu)，即拱肋構(gòu)件在工廠焊接組品成小型構(gòu)件，工地現(xiàn)場(chǎng)由拱上吊機(jī)進(jìn)行小構(gòu)件栓接安裝，如大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、朝天門長(zhǎng)江大橋、橫琴二橋。纜索吊裝法主要用于大節(jié)段整體吊裝，如春曉大橋采用全焊結(jié)構(gòu)，為減少工地焊接工作量，要求必須采用大節(jié)段整體吊裝。按照主拱合龍形式，主要有預(yù)偏位移補(bǔ)償法和縱移調(diào)索法，大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋采用主拱與主梁同時(shí)懸臂拼裝的施工工藝，中跨合龍創(chuàng)新采用了縱移調(diào)索的新施工方法[3]。預(yù)偏位移補(bǔ)償法為預(yù)先對(duì)拱腳和邊支點(diǎn)進(jìn)行位移預(yù)偏，待主拱合龍之后，邊支點(diǎn)頂升施工，實(shí)現(xiàn)主拱無(wú)應(yīng)力合攏。朝天門大橋，春曉大橋均采用此種施工工藝[4]。按照主拱水平推力體系轉(zhuǎn)換形式，分為臨時(shí)水平拉桿法、永久水平拉桿法和限位中支座法。朝天門大橋主拱合龍之后，設(shè)置了臨時(shí)水平拉桿輔助完成水平推力的體系轉(zhuǎn)換；春曉大橋依靠永久體外水平拉索，實(shí)現(xiàn)水平推力的轉(zhuǎn)換；橫琴二橋則通過(guò)中支座設(shè)置可調(diào)縱向限位裝置，實(shí)現(xiàn)剛性系桿合龍，從而完成水平推力體系轉(zhuǎn)換[5]。

2 工程概況

春曉大橋工程是寧波市梅山島對(duì)外連接大陸的第二條跨海大橋，西起春曉鎮(zhèn)洋沙山東六路與春曉東八路交叉口，全長(zhǎng)1.971km。主線橋梁工程長(zhǎng)1.467km，上層為雙向六車道一級(jí)公路，下層為人非專用通道。

主橋采用中承式雙層桁架拱橋，跨徑布置為80 m+336 m+80 m=496 m，上層橋?qū)?3 m，下層橋面寬12 m。主跨下層滿足游艇通航要求，其中中間108 m范圍設(shè)置下層縱移橋架，縱移打開后可滿足500 t海輪通航要求。主橋總體里面布置如圖1所示。

圖1 主橋總體立面圖（單位：mm）

3 有限元模型和施工階段劃分

采用M id a s C i v i l 2012橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)全橋施工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，上下拱肋、腹桿、系梁、橫梁、風(fēng)撐以及吊索塔采用梁?jiǎn)卧鯒U、系桿和吊索采用桁架單元，拱梁交接處的節(jié)點(diǎn)板、橋面板均采用板單元。

全橋模型共劃分為4 998個(gè)節(jié)點(diǎn)，9 571個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧? 243個(gè)，桁架單元628個(gè)，板單元700個(gè)。施工階段有限元計(jì)算模型見圖2。

圖2 施工階段有限元計(jì)算模型

主橋邊跨采用浮吊船安裝于鋼管支架上，中跨則利用纜索吊裝系統(tǒng)，將大節(jié)段拱肋及主梁節(jié)段吊裝于安裝線性位置。設(shè)置兩對(duì)扣掛索臨時(shí)拉索系統(tǒng)，一次張拉到位，鋼管索塔獨(dú)立設(shè)置于主墩承臺(tái)。施工步驟詳見表1。

4 主拱施工方案及有限元仿真分析

4.1 主拱施工及合攏方案

實(shí)際場(chǎng)景中,信號(hào)源的位置是隨機(jī)的,每個(gè)脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)間不同,因此接收端很難采樣到每個(gè)信號(hào)的峰值,這被稱為非理想采樣。理想采樣能采樣到信號(hào)的峰值,但是非理想采樣情況下采樣到的位置則是隨機(jī)的。在多徑信道情況下,信號(hào)相互交疊,更加難以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分辨估計(jì)。本節(jié)介紹基于泰勒級(jí)數(shù)展開的信號(hào)分辨算法,其原理參考文獻(xiàn)[6]。

根據(jù)施工方案，主跨拱肋安裝采用“固塔少扣索、無(wú)支架纜索吊”工藝。主拱節(jié)段通過(guò)纜索吊提升到位后，進(jìn)行懸臂拼裝。為了控制懸臂拼裝過(guò)程中主拱應(yīng)力，設(shè)置斜拉扣掛系統(tǒng)，以輔助主拱受力。同時(shí)，為了避免拉索多次張拉以及減少扣掛索數(shù)量，本工程中僅設(shè)置了兩對(duì)扣掛索系統(tǒng)，主拱施工總體布置如圖3所示。

懸臂拼裝過(guò)程中，拱肋的標(biāo)高線性控制尤為重要，春曉大橋主拱標(biāo)高誤差要求±10 mm。由于采用了少扣索扣掛系統(tǒng)，拱肋下?lián)狭啃枰獪?zhǔn)確的計(jì)算，并通過(guò)設(shè)置預(yù)拱度等施工措施予以補(bǔ)償。春曉大橋采用了邊支點(diǎn)降低45 c m，拱腳支座旋轉(zhuǎn)0.2332°，跨徑減少9 c m的位移補(bǔ)償措施。在主拱合龍并安裝水平拉桿X1，解除活動(dòng)支座臨時(shí)約束后，開始邊支點(diǎn)頂升，并調(diào)整水平拉桿X1索力為目標(biāo)索力。

表1 施工工況劃分

圖3 中跨主拱大節(jié)段少扣索纜索吊安裝（單位：m）

施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明，邊支點(diǎn)頂升完成后，拱肋線性偏差、拱腳位移偏差均能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。主拱內(nèi)力狀態(tài)接近目標(biāo)控制值。主拱施工階段合龍與目標(biāo)內(nèi)力圖對(duì)比，如圖4所示。

圖4 主拱內(nèi)力狀態(tài)對(duì)比（單位：tonf）

4.2 預(yù)偏位移補(bǔ)償法原理

春曉大橋主拱施工及合龍，采用了預(yù)偏補(bǔ)償位移法。為滿足施工過(guò)程中拱架預(yù)拱度以及無(wú)應(yīng)力合龍的需求，拱腳及邊支點(diǎn)構(gòu)件實(shí)際安裝位置較理論位置預(yù)先設(shè)定了位移差，該位移差將在主拱合龍后，予以補(bǔ)償[2]。其核心原理為通過(guò)合龍前預(yù)設(shè)位移預(yù)偏，滿足了施工需求，合龍后預(yù)偏值恢復(fù)并調(diào)整水平拉索，同時(shí)忽略了由于安裝尺寸差異導(dǎo)致的內(nèi)力變化，從而保證了成橋后拱肋內(nèi)力值接近于目標(biāo)控制值。

（1）理論位移預(yù)偏量的確定

為使拱肋懸臂拼裝合龍后，拱內(nèi)力接近目標(biāo)成橋內(nèi)力狀態(tài)，邊支點(diǎn)預(yù)偏量可以通過(guò)倒拆—正裝的有限元分析方法計(jì)算得到。從目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)，按照施工順序逆做，逐步拆除結(jié)構(gòu)桿件，從而得到邊支點(diǎn)頂升理論位移量。為便于明晰預(yù)偏位移補(bǔ)償法基本力學(xué)原理，本文將工程模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)化模型

以拱肋一次落架為目標(biāo)成橋狀態(tài)，其內(nèi)力分布圖如圖6所示。

按照施工順序倒拆模型，拆除水平拉桿后，對(duì)模型邊支點(diǎn)施加預(yù)降位移。經(jīng)試算，邊支點(diǎn)預(yù)降42 c m后，拱肋內(nèi)力分布如圖7所示。

圖6 主拱一次落架內(nèi)力分布圖

圖7 邊支點(diǎn)試算預(yù)降量拱架內(nèi)力分布圖

由圖7可知，拱肋合龍段軸力、剪力、彎矩均接近于零，滿足合龍段無(wú)應(yīng)力合龍條件，由此得到理論預(yù)偏位移初算值。

再按照實(shí)際施工順序進(jìn)行正裝分析，按倒拆得到的預(yù)偏位移初算值做為正裝模型中的預(yù)偏值，經(jīng)計(jì)算，主拱合龍頂升，并完成水平拉索索力調(diào)整后，拱肋內(nèi)力分布如圖8所示。

圖8 正裝模型拱架內(nèi)力分布圖

對(duì)比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一次倒拆—正裝分析后，拱肋施工成橋內(nèi)力已非常接近目標(biāo)內(nèi)力狀態(tài)，說(shuō)明初算位移預(yù)偏值已非常接近理論值。經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，可以使初算值不斷逼近理論值。

從以上分析還可以得出，倒拆模型與正裝模型雖然滿足在合龍工況下，力的邊界條件一致，但由于結(jié)構(gòu)體系的改變，必然導(dǎo)致位移邊界存在差異，這是導(dǎo)致施工成橋內(nèi)力分布較目標(biāo)狀態(tài)存在差值的原因。

（2）構(gòu)件幾何差異對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

不同的邊支點(diǎn)預(yù)降值必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸差異。為研究構(gòu)件幾何差異對(duì)拱肋內(nèi)力產(chǎn)生的影響，本文分別建立了設(shè)置三種不同預(yù)偏位移量模型，主拱構(gòu)件內(nèi)力如表2所示。

表2 桿件幾何差異對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響（軸力）

由表2可知，拱腳內(nèi)力差值最大，跨中內(nèi)力差值最小，最大值不超過(guò)2.3%。由此可得出，不同的位移補(bǔ)償值導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝尺寸差異對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。

（3）施工位移預(yù)偏量確定

位移預(yù)偏量的設(shè)定應(yīng)充分考慮施工過(guò)程中實(shí)際操作的可行性。選取目標(biāo)成橋狀態(tài)時(shí)，在滿足控制拱肋施工狀態(tài)應(yīng)力的基本前提下，頂升支架的承載能力、千斤頂噸位、拱腳支座的預(yù)偏能力都應(yīng)該做為設(shè)計(jì)師考慮的影響因素。例如，邊支點(diǎn)頂升量越大，拱腳位移越大，過(guò)大的拱腳位移預(yù)偏量，將超出支座本身的滑動(dòng)能力，導(dǎo)致施工方案無(wú)法實(shí)施；同時(shí)過(guò)大的頂升噸位，必然要求提高千斤頂噸位和頂升支架的承載能力，施工安全以及經(jīng)濟(jì)可靠性突出，將成為施工方案的重要控制因素。

5 結(jié)語(yǔ)

以寧波春曉大橋?yàn)槔ㄟ^(guò)簡(jiǎn)化力學(xué)模型，研究分析了拱橋預(yù)偏位移補(bǔ)償法的基本原理，得出以下結(jié)論：

（1）目標(biāo)成橋狀態(tài)一定的前提下，可以通過(guò)倒拆—正裝的有限元施工分析方法，得到預(yù)偏位移量理論值。

（2）從施工角度出發(fā)，施工過(guò)程中拱腳預(yù)偏，邊支點(diǎn)頂升、水平拉索可以作為施工控制手段，實(shí)現(xiàn)主拱無(wú)應(yīng)力合龍，并使其成橋內(nèi)力趨近于目標(biāo)值。

（3）施工位移預(yù)偏量應(yīng)以理論預(yù)偏值為基礎(chǔ)，尚應(yīng)該結(jié)合實(shí)際施工方案、設(shè)備能力，以及拱肋應(yīng)力狀態(tài)，綜合考慮予以確定。

[1]田唯,由瑞凱,周仁忠.大跨鋼桁架橋斜拉扣掛懸臂施工技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè),2016(08):62-68.

[2]孫玉祥,汪存書,蔡新民.預(yù)偏補(bǔ)償懸臂位移在鋼桁架拱橋跨中無(wú)應(yīng)力合攏施工中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2010(01):117-121.

[3]駱雙全.南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋鋼梁主跨合龍技術(shù)[J].施工技術(shù),2009（10）：94-96.

[4]周仁忠,徐國(guó)平,汪存書,等.重慶朝天門長(zhǎng)江大橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中外公路,2010,30(1):119-125.

[5]劉丹,程多云,王元鑫.大跨鋼桁拱橋施工技術(shù)與創(chuàng)新[J].中國(guó)港灣建設(shè),2015(12):57-70.

U445

B

1009-7716（2017）06-0185-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.055

2017-3-14

孟續(xù)東（1984-），男，河北磁縣人，工程師,碩士,主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。