大跨度外傾非對稱式系桿拱橋施工控制研究

楊 光，劉學紅

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京市 100027;2.中國中鐵股份有限公司東方國際建設分公司，北京市 100000）

0 引言

近年來，隨著對橋梁建筑美學的高度重視以及計算機技術的飛速發展，現在越來越多基于全新的設計理念和新的施工工藝的新型橋梁應運而生，其中大跨度外傾非對稱式系桿拱橋，結構新穎，造型獨特，兼具城市景觀效應，因此逐步得到應用[1]。由于大跨度外傾非對稱式系桿拱橋結構較一般類型的拱橋在結構構造和受力上更為復雜，成都市紅星路南延線跨府河橋采用滿堂支架法施工，拼裝精度要求高，尤其是后期體系轉換過程中拆除鋼箱拱和鋼梁支架是非常重要的施工步驟，根據該橋的施工特點和現場的實際情況，制定合理的監控方案，對施工過程進行有效合理的監控，確保大橋的建設順利進行和完工，為新型結構橋梁的施工監測提供指導幫助。

1 工程概況

紅星路南延線跨府河橋梁工程采用主跨150 m跨徑曲線梁非對稱外傾拱橋（非對稱肋拱橋）。大橋采用44 m+150 m+55 m的孔跨布置，全橋總長249 m，如圖1所示。主跨位于曲線半徑為R=600 m圓曲線內，兩側邊跨分別位于緩和曲線上，橋梁軸線與府河主航道流向斜交46°。

圖1紅星路南延線跨府河橋橋型總體布置圖(單位：cm)

主跨南北兩條獨自向外傾斜的鋼箱拱肋，位于各自的傾斜平面內，北側拱肋向外傾斜30°，南側拱肋向外傾斜18°，拱肋由混凝土拱腳段和鋼箱拱肋段組成，兩條拱肋交于橋梁主墩承臺。鋼梁采用雙縱箱+格子梁結構形式，為三跨連續鋼結構，在兩岸橋臺位置設置伸縮縫，兩拱肋間沒有任何橫向聯系，拱肋通過斜向吊桿與橋面鋼箱梁相連。

2 施工方案

主橋的施工過程主要包括基礎施工及鋼箱拱肋吊裝、鋼梁拼裝、臨時對拉索的張拉和拆除、鋼箱拱支架和鋼梁支架拆除、吊桿和系桿的安裝及張拉和二期恒載橋面鋪裝等，主要施工步驟如圖2所示。

具體施工過程為：

（1）下部結構樁基承臺施工，橋臺施工、主墩和混凝土拱肋施工；

（2）全橋范圍內搭設梁底臨時支架，兼作鋼梁的運輸通道、塊段連接、線形調整的臨時支撐作用；

圖2 府河橋主要施工流程圖

（3）鋼梁節段縱向分段橫向分塊，通過運梁小車完成塊件的場內運輸。鋼梁塊段在支架上通過千斤頂完成線形調整，并且用臨時匹配件固定，分區分批連接鋼梁塊段；

（4）拱節段在存件場地通過龍門吊完成第一次姿態調整，運輸到棧橋上相應位置后通過履帶吊式吊車完成第二次姿態調整，通過吊車完成豎直運輸，將拱節段安裝到支架上，最后通過支架上的千斤頂進行第三次姿態調整，使鋼拱節段精確到位。拱肋節段現場連接后，在南北拱頂部起吊用吊耳之間安裝和張拉橫向對拉索。安裝臨時系桿，拆除拱臨時支架，為鋼梁兩側塊段安裝留出空間；

（5）體系轉換過程，安裝吊桿、系桿、縱向水平彈性索（一端錨固于墩臺，另一端錨固于梁體上，用于約束鋼梁縱向位移，防止鋼梁的縱向走位），分批次進行張拉，拆除兩拱肋間臨時橫向對拉索等；

（6）最后實施橋面鋪裝、欄桿安裝等附屬工程。

3 施工控制

3.1 計算分析

成都市紅星路跨府河橋梁施工過程模型的建立采用有限元軟件Midas/Civil 2012，對全橋結構的施工步驟進行準確的仿真模擬，對主體結構的線形、內力和應力分階段進行計算和分析。有限元模型中混凝土拱和鋼箱拱采用梁單元模擬、鋼梁采用梁單元和板單元模擬、吊桿和系桿及彈性索采用桁架單元模擬。全橋建模共有8 556個節點，10 404個單元，其中桁架單元8個，只受拉單元102個，梁單元7 075個，板單元2 971個，實體單元248個。全橋有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型圖

該橋的施工控制計算主要分為兩個階段，包括施工控制前的核對計算分析和施工控制過程中的計算分析[3]。

施工控制前的核對計算分析：依據設計圖紙和實際的施工過程，建立全橋有限元仿真計算模型。第三方施工控制的計算分析結果必須與設計單位的計算分析結果相互校核，如果兩者偏差比較大，則應該找出存在偏差的原因；如果兩者吻合較好，則所建立的有限元模型可以用于實際施工控制。

施工控制過程中的計算分析：初期建立的有限元模型所選取的計算參數往往與實際的施工過程存在一定的偏差，計算模型不可能完全與現場實際情況相吻合，這就需要在施工過程中對影響參數進行不斷地修正，使得計算結果與現場實際測量的結果較一致，以更好的對后續施工進行有效合理地控制[5]。

3.2 施工控制內容

3.2.1 溫度監測

溫度對結構內力的影響復雜，通過環境溫度監測，把溫度參數考慮到模型中，及時地調整結構的受力情況，必要的環境溫度監測是不可或缺的。在該橋中，鋼結構表面采用表面式傳感器，混凝土內部則采用埋入式傳感器。測點布置的原則為測試結構的整體升降溫差和非均勻升降溫差，測點的布置可選擇具有代表性的構件截面。

3.2.2 線形監測

采用全站儀對橋梁的線形進行監測，鋼箱拱肋位移監測：每一節段端口處為線形測試截面，各個測試截面位置處共布置4個測點，即頂板、底板、南腹板和北腹板端口中點處各設置一個測點，立面布置如圖4和圖5所示。

鋼梁線形監測：每一段鋼梁布置兩排測點由T1到T5（T6到T9為對稱位置）分別為橫梁與次邊縱梁、主縱梁、次中縱梁、斜腹板線F2和直腹板線F1的交點處，測點位于鋼梁頂板的上表面處，平面布置如圖6所示。

圖4 鋼箱拱線形測點截面布置圖（單位：m）

圖5 拱肋線形監測測點位置圖

圖6 鋼梁線形測點布置圖

3.2.3 應力監測

為了解曲線梁受力情況，全橋共選取7個截面，分別為44 m邊跨跨中截面、P1墩頂截面、主跨1/4截面、跨中截面、P2墩頂截面和55 m邊跨跨中截面，如圖7和圖8所示。

圖7 全橋鋼梁應力測點縱截面布置示意圖

圖8 鋼梁應力監測測點橫截面布置示意圖

主拱應力監測截面的選取和應力測點布置應該充分考慮以下各方面因素[2、8]：混凝土拱肋受力，鋼箱拱肋受力，混凝土拱肋過渡到鋼箱拱肋段受力，理論計算控制截面，考慮到由于橋梁位于曲線段上對內外拱肋不平衡受力的影響，由于拱肋外傾引起的非對稱彎曲的影響，施工監測測點后期為長期監測所使用。考慮以上各個因素，應力監測截面共選取11個截面，如圖9和圖10所示。

圖9 全橋鋼箱拱應力測點截面布置示意圖（單位：cm）

圖10 拱肋應力測試測點截面布置示意圖

全橋施工過程中，需要分階段對各截面的應力進行實時監測，應力監控流程如圖11所示。

圖11 應力測試流程圖

3.2.4 索力監測

索的拉力與其自身的自振頻率之間存在一定的關系，利用這一關系，對于兩端鉸接的柔性索，通過測得自振頻率，可以直接求得索的拉力，索的拉力計算公式為[9]：

式中：T為索的拉力，kN；W為單位長度索的質量，kg；L為索的計算長度，m；fn為第n階的自振頻率，Hz；n為振動階數；g為重力加速度，m/s2。

3.3 鋼箱拱線形控制

鋼箱拱的吊裝需要控制每一節段的安裝線形，必須對每一節段進行監測，偏差在允許范圍之內，方可允許下一節段的安裝。僅列出對南拱肋S1-S7-S1的每一段安裝拱肋吊裝進行線形監測，理論線形和實測線形偏差如圖12至圖15所示。

吊裝過程中通過理論坐標值和實測坐標值的比對，偏差基本上控制在-2.0～+2.0 cm范圍之間，可以滿足安裝精度和規范要求。

3.4 鋼梁線形控制

對鋼梁安裝進行線形監測（本文僅給出中軸線（T5測點）數值），安裝線形T5測點的偏差如圖16至圖18所示。

圖12南拱拱肋節段頂板線形偏差（單位：cm）

圖13南拱拱肋節段底板線形偏差（單位：cm）

圖14 南拱拱肋節段南腹板線形偏差（單位：cm）

圖15 南拱拱肋節段北腹板線形偏差（單位：cm）

鋼梁安裝過程中通過控制坐標值和實測坐標值的比對，偏差基本上控制在-1.0～+1.0 cm范圍之間，可以滿足安裝精度和驗收規范要求。

3.4 吊桿索力監測

全橋共布置有40對80根吊桿，吊桿編號如圖19，南北側鋼箱拱各設置20對40根，吊桿的安裝、張拉和最終索力調整如下。

圖16鋼梁安裝縱向偏差圖（單位：cm）

圖17鋼梁安裝橫向偏差圖（單位：cm）

圖18 鋼梁安裝豎向偏差圖（單位：cm）

圖19 全橋吊桿編號示意圖

根據施工過程的需要，全橋吊桿共分為3次張拉，最終成橋狀態下二期恒載完成后吊桿索力自動逼近設計索力，吊桿張拉施工過程中需要對吊桿索力、鋼拱位移、鋼梁位移進行監測，吊桿的三次張拉順序為：初張拉，考慮到施工方便的需要和初張拉力較小，可以滿足拱肋的受力要求，初張拉由拱腳向拱頂方向南北拱對稱依次進行張拉，初拉力約為成橋索力的30%；二次張拉，根據計算確定二次張拉力大小，二次張拉由拱頂向拱腳方向南北拱對稱依次進行張拉；三次張拉，根據施工現場的數值實際測量，需要對南拱吊桿進行吊桿索力調整三次，北拱吊桿索力不再進行調整，南拱吊桿的三次調整由拱頂向拱腳方向對稱依次進行張拉。

在吊桿張拉施工過程中，需要現場實時監測吊桿索力的情況以掌握吊桿的實際受力與理論計算值的偏差，監測結果如圖20至圖21所示。

圖20 北拱成橋索力（單位：kN）

圖21 南拱成橋索力（單位：kN）

通過對頻譜分析法實測吊桿索力值與理論吊桿索力值對比，對吊桿索力進行復測或監測，對偏差過大的吊桿索力再進行調整，以確保拱橋結構的安全。從以上對比結果可以看出，經過三次張拉后吊桿的索力實測值與理論索力值還存在一定的偏差，最終整體偏差較小，個別吊桿理論值與實測值偏差稍微大一些，這主要是由于拱腳附近位置的吊桿長度比較短，測量的誤差會比較大；溫差影響，尤其是在夏季施工，日照、晝變溫差都會給索力和橋面高程帶來影響；計算誤差，模型的模擬并不完全的準確，也會帶來誤差的影響；還有施工過程中吊桿張拉時，人為控制因素、張拉設備儀器以及張拉時不可避免的應力損失都會造成兩者之間的偏差。施工過程中吊桿索力實測值與設計值有較大偏差，最大偏差達到13.9%，隨后在接下來的吊桿張拉過程中不斷調整索力，使吊桿索力不斷接近設計值，最終在橋面鋪裝結束工況下索力誤差均小于5%，達到設計與規范要求，此外全橋索力實測終值均在拉索的設計安全范圍內。

6 結語

本文圍繞成都市南延線跨府河橋的大跨度外傾非對稱式系桿拱橋的施工過程，在理論研究和有限元模型仿真分析的基礎上，系統地對大跨度外傾非對稱式系桿拱橋采用支架法施工關鍵技術進行了實時監控和深入的研究[6]，在全面指導施工順利進行的同時，對該種類型橋梁建造過程中的多處關鍵技術進行了研究、分析和總結，可以得到以下主要結論：

（1）簡單介紹了大跨度外傾非對稱式系桿拱橋的特點，敘述了該類體系復雜橋型的施工監控的特點、方法以及研究現狀；

（2）以府河橋為工程背景制定了大跨度外傾非對稱式系桿拱橋采用支架法施工的施工監控整體方案。確定采用綜合控制方法對全橋的施工過程進行科學合理的施工控制，并給出了府河橋施工監控的內容、方法、原則以及目標；

（3）根據府河橋自身的結構特點和現場施工的實際情況采用橋梁結構專業分析軟件Midas/Civil建立全橋施工階段有限元模型，并對實際的施工全過程進行仿真模擬計算分析。通過對結構構件的應力和位移的理論模型計算數值和現場實測數值進行分析對比，不斷的對相關設計參數進行識別和修正，對全橋的后續施工過程進行準確的指導和有效的控制；

（4）介紹了采用支架法施工的特點，特別是對鋼箱拱肋吊裝和鋼梁拼裝施工過程中鋼箱拱肋和鋼梁的安裝精度以及支架穩定性的有效控制，為施工過程中的質量和安全提供了理論上的依據；

（5）后期體系轉換過程中臨時對拉索的張拉和拆除、鋼箱拱支架和鋼梁支架的拆除過程、吊桿張拉和系桿張拉等關鍵施工過程是該橋的重要部分。本文對體系轉換過程進行了仿真模擬計算，采用有限元分析計算方法，依據設計文件及現場實際施工情況進行的體系轉換全過程仿真分析研究非常必要且技術可行，從該橋的成功施工建造可知，施工全過程的仿真計算分析研究有力地指導了現場實際施工，對實際施工過程中的關鍵工序及控制措施的制訂具有非常重要的意義[7-10]。