大跨度景觀拱橋的施工監控研究

李林新

廣東榮駿建設工程檢測股份有限公司，廣東 廣州 510380

1 工程概況

進賢門特大橋主橋采用38m+50m+210m+50m+38m飛燕式無推力鋼箱系桿拱橋，契合了“印象進賢、水上蓮花”景觀主題，橋型立面如圖1所示，其中主拱、三角鋼架、花瓶式橋墩均充滿美觀元素。主橋主孔跨徑為210m，矢高約52.5m，矢跨比為1/4，懸鏈線拱軸系數為1.25，拱肋豎直面布置，兩拱肋水平間距為34.1m。鋼拱肋采用等高度的箱型截面，單拱肋19個節段，頂底板厚32～44mm，腹板厚28～36mm。拱肋采用5道鋼橫撐連接。主橋吊桿采用整束擠壓式27-?15.24、19-?15.24環氧噴涂鋼絞線拉索，HDPE護套（上端為整束擠壓錨頭、下端為穿銷鉸錨點），共32根吊桿，縱向間距為10.20m。采用單箱三室的流線型鋼箱梁，中心高3.5m，全長173.9m，橋面總寬44.9m。主橋墩為矩形狀，縱向8.5m、橫向3.8m，前后斜腿采用預應力混凝土結構。

圖1 橋型立面圖

2 施工階段劃分

根據設計圖紙與專項施工方案，將進賢門特大橋主橋施工總工序劃分為19個施工監控階段，如表1所示。

表1 施工階段劃分及內容

3 計算模型

3.1 仿真計算假定

采用空間有限元程序進行結構離散分析，對主橋施工全過程進行模擬。模型采用梁單元模擬鋼箱梁、橋墩、樁基礎，共劃分1518個節點、1872個單元。靜力計算模型如圖2所示。

（1）截面模擬。①拱肋截面采用鋼箱截面模擬，考慮箱梁內加勁肋。②鋼箱梁截面模擬：典型鋼箱梁截面采用鋼箱截面模擬，考慮箱梁內加勁肋的作用，考慮截面橫坡。③混凝土梁截面模擬：由于橋面過寬，預應力鋼束配置根據各腹板區別配置；且混凝土三角鋼架拱肋與梁體相連，為了準確模擬實際受力，混凝土截面采用梁格方式拆分主梁，兩側系桿拆分為2根主梁，中間箱梁作為1根主梁進行模擬。根據彎矩分配法，調整各截面的抗彎剛度，計算截面間的橫向傳遞作用，保證截面抗彎剛度基本一致。④橋墩和樁基模擬：利用變截面擬合橋墩截面變化，根據實際集合尺寸模擬橋墩、承臺及樁基。

（2）邊界模擬。①邊界條件處理：三角鋼架采用滿堂支架分段澆筑；主拱肋采用少支架吊裝拼接。②成橋階段：墩底固結，利用節點彈性支撐模擬樁土約束效應；邊跨設置約束y、z方向；掛梁設置彈性連接，模擬支座剛度。

（3）荷載模擬。①自重：計算結構實際重量，根據單元結構尺寸、材料容重，自動計入程序中。對于鋼箱梁中截面無法模擬到的橫隔板等系列鋼板，采用集中荷載施加在相應位置。②溫度：利用程序自動系統升降溫模擬結構整體溫差的效應；對于非線性溫度，考慮混凝土梁非線性溫度的效應值。③風荷載：按《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）第3.1條規定考慮。④景觀廊橋荷載：上部設計有景觀設施，轉換成集中力荷載施加在相應位置。

3.2 參數計算

（1）計算單元。①主拱肋：用梁單元模擬，計入預應力荷載和P-Δ效應。②主梁：用梁單元模擬，計入預應力荷載和P-Δ效應。③橋墩：用梁單元模擬，計入P-Δ效應。④吊桿：用桁架單元模擬，計入彈性模量折減。⑤系桿：用桁架單元模擬，計入彈性模量折減。

（2）材料。依據相關設計指標及相關規范采用。

（3）荷載。一期恒載：主梁、主拱肋、三角鋼架、吊桿、風撐等材料自重，按實際斷面計取重量。二期恒載：橋面鋪裝、護欄、水管等附屬設施重量，合計148.1kN/m。基礎沉降（模型已計入樁基及墩身彈性變形）：邊墩及過渡墩0.005m，主墩0.01m。汽車荷載：公路-Ⅰ級、8車道。溫度作用：系統溫度升25℃，降25℃，鋼箱梁截面的梯度溫差按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）的有關規定計算。收縮徐變：按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）附錄F計算，其中年平均相對濕度RH為55%，收縮徐變計算至成橋通車后10年。風荷載：橋面風V10=25m/s、百年風V10=39.4m/s，各構件（鋼箱梁、拱肋、吊桿、墩）風荷載按《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）的相關規定計算。

3.3 測點布設方案

主橋施工監控測點布設如下：（1）主梁撓度測點截面13個，各截面3個撓度測點，共39個測點；應力測點截面9個，各截面6個應力測點，共54個測點。（2）拱肋撓度測點截面9個，各截面2個撓度測點（拱肋頂面各1個），共18個測點；拱肋應力測點截面9個，各截面4個應力測點（拱肋頂底面各2個），共36個測點。（3）推力墩變形坐標測點截面共2個，各截面1個變形坐標測點，共2個測點；推力墩應變測點截面共2個，各截面4個應變測點，共8個測點。

3.4 監控計算特點

該項目監控計算采用三種方法相結合來實現各施工階段和成橋狀況下的最優化控制目標。（1）逆向施工仿真分析。采用逆向施工仿真分析確定的施工參數為拱肋無應力下料長度、拱肋初始拼裝線形、吊桿及系桿下料長度、主橋預拱度等。（2）正裝分析。根據主橋施工方案進行逐節段計算分析，每一節段的結構形式、邊界、荷載等都在變化，可在前一節段結構狀態的基礎上分析本次施工節段的結構狀態。（3）優化分析。利用超靜定結構桿件內力的可調性，定義一個特定的性能指標函數對主橋吊桿張拉順序及張拉力、箱內系桿張拉順序及張拉力進行內力優化分析。

4 計算結果分析

案例主橋施工工序繁雜，但施工工法成熟可靠。在經過對施工全過程的推導、模擬計算后，主要針對鋼拱肋和鋼箱梁的結果進行如下說明：（1）主拱拼裝結束前采用支架施工，該階段只要控制好支架預壓工序，消除支架的非正常變形，就可為拱肋的合攏拼裝創造有利條件。在這前部分過程中，拱肋處于無應力狀態，主梁未進行施工。（2）主拱臨時系桿張拉后，拆除支架，由兩端向跨中逐段吊裝主跨吊桿及鋼箱梁，從CS13～CS19的全過程中，拱肋逐步開始承擔主梁、吊桿、景觀實施、二期荷載等自重荷載的作用。根據計算得到，該過程中主拱肋應力值在-73.50～38.30MPa，滿足規范要求；鋼拱肋拱頂截面的最大撓度計算值為-69.83mm，屬正常范圍。（3）鋼箱梁在逐步拼裝焊接后，陸續承受相鄰節段及二期荷載的自重作用，鋼箱梁應力值在-7.87～4.47MPa，均小于容許值，滿足規范要求。（4）主橋配套景觀設施結束后，鋼箱梁在運營階段承載能力極限狀態下的最大應力值為30.36MPa，主拱肋在運營階段承載能力極限狀態下的最大應力值為216.8MPa，均小于容許值，滿足規范要求。

5 結束語

進賢門特大橋是一座融合了地方文化底蘊的景觀大橋，橋梁設計新穎且美觀，設計理論成熟，施工安全可靠，為市政大跨度景觀橋梁建設提供了參考。筆者采用有限元分析軟件對進賢門特大橋主橋的全部工序進行模擬計算，對主控截面的撓度及應力、運營狀態下的結構受力進行了計算分析。結果表明，主橋所采用的施工方案安全可行，運營狀態下的結構受力合理，計算結果可作為指導現場監控測量工作的依據。