秦淮河大橋異形系桿拱橋梁拱分離式拖拉施工技術及監控分析*

梁 橋，胡志涵，王靜峰,3，王翰斕

(1. 中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131； 2. 合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；3. 安徽省先進鋼結構技術與產業化協同創新中心，安徽 合肥 230009)

0 引言

異形系桿拱橋外形獨特、造型新穎美觀，結構形式能充分發揮梁受彎、拱受壓的結構性能及組合作用，因此在近代橋梁領域中的應用逐步增多，如上海之魚大慶橋[1]、莆田城港大道跨木蘭溪大橋[2]等。

為避免或最大限度降低施工對河流或既有線路的影響，主梁施工多采用拖拉架設、轉體施工、浮托頂推、架橋機架設等方法[3-7]。拖拉架設法即先搭設臨時支墩和拖拉滑道，然后拖拉上部結構至指定位置，具有拖拉平穩、施工高效、作業安全、環境污染小等特點，成為跨越河流、深谷地帶橋梁架設的首選方法。

跨外秦淮河大橋全長157m、寬42m，采用下承式空間多索面異形系桿拱橋結構，主橋跨度大、噸位重，橋梁線性控制精度較高。綜合考慮運輸條件、環境條件和施工安全，本工程采用梁拱分離式拖拉施工方法對主梁進行施工，為保證施工安全，本文對拖拉施工全過程進行仿真模擬與施工監測，評估該施工方法的安全性與合理性。

1 工程概況

跨外秦淮河大橋采用下承式空間多索面異形系桿拱橋結構，全長157m、寬42m，拱肋采用六邊形異形鋼箱拱，拱軸線由直線、圓曲線組成，如圖1所示。

圖1 跨外秦淮河大橋效果

主梁采用正交異形板扁平鋼箱梁，橋梁橫斷面布置為3.5m(人行道及非機動車道)+4.5m(拱肋及吊桿區)+11.0m(車行道)+4.0m(拱肋及吊桿區)+11.0m(車行道)+4.5m(拱肋及吊桿區)+3.5m(人行道及非機動車道)，橋面設雙向2%橫坡。標準節段鋼箱梁橫向分5個箱體，跨中高度為3.03m，兩端支座處非標準節段跨中高度為4.532m，標準斷面如圖2所示。

圖2 鋼箱梁標準斷面

2 施工重難點

通過分析橋梁結構形式和設計要求，施工中有以下重難點：①橋位所處外部環境復雜，鋼結構截面尺寸大，運輸條件受限，大型設備進場困難；②主梁跨度大、橋面寬、噸位重、非常規造型，現場地形復雜，支架設計難度大，安全風險高；③拱軸線復雜，拱肋采用六邊形結構，拱與拱交叉節點共4個、拱與梁交叉節點4個，廠內加工難度大；④拱肋為非對稱結構、空間扭曲，線形控制難度大；⑤受汛期影響，水上作業時間短，工期難以控制。

為解決施工重難點，橋梁主體擬采用拖拉施工技術。通過對運輸條件、物資條件、工期要求進行可行性分析，最終采用梁拱分離式拖拉施工方案(見表1)。該方案首先將采用汽運的鋼箱梁發至橋址并焊接，同時在鋼箱梁上組裝拱肋支架。將整體結構拖拉就位，待汛期結束后，將不采用汽車運輸的大節段鋼箱梁通過水路運輸至橋址，進行原位吊裝，再進行拱肋安裝。梁拱分離式拖拉如圖3所示。

表1 施工方案比選

圖3 梁拱分離式拖拉

3 拖拉施工工藝

3.1拖拉施工流程

梁拱分離式拖拉施工流程如圖4所示。

圖4 梁拱分離式拖拉施工流程

3.2 拖拉施工工藝

1)滑道、滑塊設置 采用2條滑道，在主墩及河道通航孔處設置伸縮縫，并采用螺栓相連，傳遞縱向內力。滑道面采用不銹鋼板，與滑道梁進行焊接固定。滑塊在每個主梁橫隔板處設置四氟乙烯板，每個滑道外側設置通長工作平臺。滑塊與梁底采用螺栓相連，減少現場臨時結構與梁體的焊接與切割修補量，滑塊拆除后可采用螺栓直接進行堵塞與補涂。

2)抗滑墩設置 鋼主梁拖拉作業時，千斤頂需支承在較強大的支墩上，因此在北岸主墩內側設置6φ1 000mm×12mm鋼管樁作為抗滑墩樁基，抗滑墩抗側力應大于拖拉克服的摩阻力。

3)拖拉設備 本項目拖拉總噸位約3 300t，采用4套水平連續千斤頂施工。牽引系統設置在岸邊主梁內第2道腹板位置，對稱設置2套2 000t連續千斤頂，每套千斤頂采用9φs15.24鋼鉸線。

水平拖拉系統由水平連續千斤頂、液壓泵站及控制系統組成，拖拉設備如圖5所示。連續千斤頂前后布置，通過控制系統傳感設備交替工作，千斤頂通過工具錨夾住傳力鋼絞線，鋼梁底板下焊接錨扣點，將耳板、插銷、工具錨與傳力鋼絞線相連，當千斤頂拖拉作業時，鋼絞線拖拉鋼梁前移。

圖5 拖拉設備示意

4)拉錨器設置 拉錨器安裝于鋼箱梁腹板下表面，作為千斤頂拖拉點，主梁行進靠近主墩千斤頂時，需倒換牽引方向以繼續拖拉。

5)預拱度設置 滑道設置與梁底縱坡基本保持一致，鋼箱梁應根據設計高程進行拼裝，當橋梁滑移到位時，可基本保證主橋線形。此外，在每個主梁橫隔板下方設置附有高程調節裝置的滑塊，能根據預拱度設計值進行相應調節。

6)糾偏裝置 橫向糾偏裝置設置在滑道支架分配梁上，縱向間距≤60m，確保滑移前后左右有4個糾偏裝置在滑移梁體附近，糾偏裝置與拖拉設備共用控制系統。

如果滑道在拖拉過程中出現不均勻沉降，會導致滑道不平，影響施工安全和精度，如果出現沉降，需暫停施工，待沉降穩定后，頂起滑道，調整到設計高程后再拖拉。滑道調整裝置即在滑道兩側設置頂升牛腿，利用千斤頂頂起滑道，再在滑道與分配梁間通過鋼板墊實。

3.3 拖拉施工控制要點

1)拖拉力施加 拖拉力大小根據摩阻力大小進行調節，并通過油表顯示。如果施加到最大拖拉力時，鋼箱梁仍未能移動，則進行檢查。拖拉過程中應記錄千斤頂壓力表讀數，并對比千斤頂循環拖拉時的數據，避免拉力突然增大或減小。

2)拖拉過程控制 鋼箱梁在拖拉過程中需及時進行橫向偏位糾正。滑道頂面標高根據橋梁底板標高及橋體預拱度進行確定，并保持同一直線，按照平行于成橋后的梁底縱坡進行施工。

3)位移及沉降觀測 重點觀測梁體軸線偏移和臨時墩沉降，拖拉過程中需用糾偏千斤頂及時調整，從施力開始到梁體移動連續觀測，并根據偏位重新調整各千斤頂拉力。

4)限位擋塊控制 全程檢查限位擋塊的工作情況，根據梁段軸線偏差測量值調整限位精度。

4 拖拉施工仿真模擬

為了解拖拉過程中臨時支架和滑道的受力特征與變化情況，確定不利工況，采用MIDAS Civil分析主梁拖拉施工數值，并根據計算結果制定監測方案。

4.1 計算模型

南岸滑道采用兩個滑道組，橫向間距22.5m，每排滑道采用10組支架，組間距分別為9，12，15m。每組滑道由4φ630×8鋼管組成，橫向間距2m，縱向間距3m。鋼管上橫向分配梁采用雙拼HW400×400型鋼。滑道梁采用三拼HN800×300型鋼，沿縱向放置于橫向分配梁上。所有鋼構件均采用Q235鋼材。

水中滑道采用兩個滑道組，橫向間距22.5m，每排滑道采用12組支架，標準段組間中心距12m、凈距9m，每組由4φ630×8鋼管組成，橫向間距2m，縱向間距3m，鋼管立柱間采用φ210×6鋼管連成格構結構。鋼管上橫向分配梁采用雙拼HW400×400型鋼。滑道梁，采用三拼HN700×300型鋼。縱向放置于橫向分配梁上；通航孔處跨度較大，兩側滑道梁用HN1 000×300型鋼，為Q345鋼材，其余所有鋼構件均采用Q235鋼材。

M3～M5標準節段鋼箱梁、初期拱肋支架、滑道梁和下部樁基礎均采用梁單元，滑塊與滑道接觸處采用彈性支承連接，計算過程中考慮結構滑動、人工與器械的補重，取自重系數為1.3，計算模型如圖6所示。

圖6 有限元分析模型

4.2 計算工況

選取橋梁拖拉至不同位置的10個工況，分別計算臨時支架最大支反力及滑道梁的最大應力與位移。施工過程模擬如圖7所示。

圖7 不同工況施工過程模擬

4.3 計算結果

10個工況下的支架最大反力、滑道梁最大豎向位移及滑道梁與臨時墩的最大應力如表2所示。根據GB 50017—2017《鋼結構設計規范》[8]和JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[9]，各項指標均滿足設計要求，能保證臨時結構和主體結構安全，為施工提供合理的計算依據。

表2 有限元模型計算結果

5 施工監測

通過MIDAS Civil軟件分析拖拉施工計算結果，對可能出現較大變形和應力的部位設置相應監控測點，以保證整個拖拉過程順利實施。

5.1 監測方案

1)軸偏監測 主梁在拖拉施工過程中，滑道設有橫向限位和調整裝置，確保將主梁軸線偏位控制在允許偏差范圍內，測點布置如圖8所示。

圖8 軸偏監測測點

2)主梁應力監測 采用JMZX-212表貼式應變計監控采集主梁應力，主梁斷面上包含12個測點，沿主梁方向上布設4個監測斷面，共包含48個測點，如圖9所示。

圖9 主梁應力監測測點

3)墩柱變位和傾斜監測 在橋上下游各布置1臺全站儀，在變形監測點上安裝棱鏡，采用全站儀監測墩柱變位，其中墩柱傾斜采用傾角儀完成，測點布置如圖10所示。

圖10 墩柱變位和傾斜監測點

4)墩柱應力監測 頂推過程采用應力計監測墩柱應力，應力計布置于墩身中部，測點布置如圖11所示。

圖11 墩柱應力監測點

5.2 監測結果

跨外秦淮河大橋主梁累計拖拉160.471m，軸偏校正至0。橋梁拖拉監測包括日拖拉進度、軸偏情況、水中臨時墩變形和沉降、永久墩變形和部分臨時墩與主梁應力，通過整理得到7次完整的拖拉監測數據。拖拉完畢后，監測支架受力和變形，通過整理得到主梁就位后的2次監測結果，并復核各參數數據，確保拖拉施工安全完成。監測情況如表3所示。

表3 拖拉監測情況

拖拉過程中，上部主梁和初期拱肋支架通過滑塊在滑道梁上滑移，而滑道梁鋪設在臨時墩上，相當于臨時墩支撐起上部結構，必須保證臨時墩變形滿足標準。因此，本節對拖拉過程監測數據中的臨時墩變位、沉降數據進行處理分析。

選取6個縱橋向位移較大的水中臨時墩L7東～L12 東，6個橫橋向位移較大的水中臨時墩L7西～L12 西進行分析，如圖12所示。縱向變形中，“+”代表向北，“-”代表向南；橫向變形中，“+”代表向東，“-”代表向西。

圖12 臨時墩位移監測數據

L7東～L12東的縱向位移如圖12a所示，縱向位移以向南為主，最大≤12mm，L9東及L11東監測得到的平均位移最大。L7西～L12西的橫向位移以偏東為主，最大≤16mm，橫向位移偏東的原因是拖拉過程中主梁大多向東偏移，東側拖拉力大于西側拖拉力，對拖拉施工造成一定的安全隱患，應及時糾偏東側，調整拖拉千斤頂的拉力。水中臨時樁沉降監測情況如圖13所示，東側水中臨時樁沉降略大于西側，最大沉降發生在L3東，為18.4mm。所有相鄰支架不均勻沉降均未超過預警值20mm。拖拉過程中，支架沉降速度較緩慢，相鄰支架未發生較大不均勻沉降。

圖13 臨時樁沉降監測數據

6 模擬與監測結果對比

為驗證監測準確性及施工方案合理性，對比模擬結果和監測結果，并對該技術做出合理性評價。

6.1 水中臨時支架順橋向側移

將主梁拖拉到5個位置處，對比東側水中臨時支架順橋向位移與有限元分析結果，認為監測與模擬結果吻合良好(見圖14)。根據圖14a～14d可知，主梁未完全拖拉到位時，水中支架向南側偏移，且從南到北偏移越來越大。監測結果由于受現場條件影響，導致所得數值在模擬結果上下浮動，但未出現較大差異。當主梁完全就位后，水中臨時樁的縱向位移很小，且以向北偏為主(見圖14e)。但監測結果中，局部樁出現向南側較大偏移，這可能是因為6，9號樁在拖拉過程中向南側偏移，拖拉就位后短時間內沒有恢復，其余樁側移的模擬和監測值都較接近。

圖14 臨時樁東側縱向位移變化

6.2 主梁應力

對比拖拉到4個不同位置的主梁應力監測值與MIDAS有限元分析結果，如圖15所示。由圖15a可知，拖拉至55.8m時，鋼箱梁應力較小，L2～L5截面測點通過監測和模擬，得到的結果均≤15MPa；拖拉至121.65m時，主梁局部測點應力>15MPa，但未達到20MPa；拖拉至149.75m時，L5截面的9號測點監測壓應力達22.42MPa；拖拉至160.42m時，鋼箱梁主體接近落位，L2截面的10號測點拉應力達到33.75MPa，遠小于預警值。根據結果對比曲線認為模擬結果與監測結果吻合良好，拖拉過程中主梁未出現不利的受力情況。

圖15 主梁應力變化

6.3 臨時墩應力

對比拖拉到3個不同位置的臨時墩應力與有限元分析結果，如圖16所示。其中AS1，AS2代表岸上2根臨時墩；SZ7，SZ8代表通航孔兩邊水中臨時墩。由圖16可以看出，岸上臨時墩應力較小，最大值≤2.75MPa，遠小于預警值。水中臨時墩以受拉為主，L7號墩最大監測應力達到21.9MPa，這可能是由于通航孔處跨度較大造成的。

圖16 臨時墩應力變化

7 結語

1)分析跨外秦淮河大橋的工程特點和技術難點，研發下承式空間多索面異形系桿拱橋梁拱分離式拖拉施工技術。

2)詳細介紹梁拱分離式拖拉的施工流程和工藝，并指出施工過程中需控制的關鍵點。

3)建立的有限元模型能反映拖拉過程中支架、滑道梁的受力狀態和變形情況，計算結果滿足規范要求，可保證拖拉施工安全，并設置相應監測方案。

4)監測結果與模擬結果具有良好的吻合性和變化一致性，為拖拉施工提供可靠保障，同時驗證梁拱分離式拖拉技術的可行性。