秦淮河157m下承式空間多索面異形系桿拱橋拱肋安裝技術及監控分析

陳建軍，王翰斕，王靜峰,3，陸斐

(1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215113；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）

1 引言

隨著社會的發展和城市現代化的要求，城市橋梁已不單單只滿足交通運輸功能，各種側重美學效果的橋梁結構不斷受到設計者的青睞。例如2002年12月15日建成通車的不對稱系桿拱橋巴西儒塞利諾·庫比契克總統橋（Presi?dent Juscelino Kubitschek Bridge In Brazil），2005年11月建成通車的下承式鋼箱系桿拱橋天津大沽橋等在構成交通線的同時也成為了當地著名的景觀。相比于傳統常規拱橋，異形拱橋在追求美學效果的同時必然會導致結構設計的合理性降低[1]，故對結構設計、施工技術和現場監控的要求也越來越高[2,3]。

異形系桿拱橋的結構和受力情況隨施工階段的不同而變化，結構在施工中須經歷架拱、拆架和落架等施工體系轉換過程。由于拱肋造型多變，安裝精度要求高，多種不確定因素可能對成橋目標的實現產生干擾，并可能導致拱肋線形及受力狀態與設計要求不符。若拱肋在安裝過程中出現較大偏差，在使用過程中易發生失穩，容易造成較大的安全隱患[4,5]。因此，選用科學合理的施工技術和監控方法變得非常關鍵[6,7]。

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形式，主梁跨度157m，拱肋采用非對稱雙向交叉弧形鋼箱拱，對拱肋的施工精度和線性要求高。根據現場條件和吊裝要求，本工程采用先吊裝下層拱肋，再吊裝上層拱肋的分節段吊裝拱肋施工技術；為保障施工安全，對拱肋安裝全過程進行了仿真分析；根據模擬結果布置了相應的監測點，對施工全過程進行安全監測。

2 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，主橋全長157m，寬42m。拱肋采用六邊形異型鋼箱拱，拱軸線采用直線、圓曲線組成，如圖1所示。

圖1 跨外秦淮河大橋

拱肋采用六邊形異形鋼箱拱，拱肋內側為規則矩形鋼箱，外側焊接12mm厚裝飾板，形成六邊形異形鋼箱拱，拱軸線采用直線、圓曲線組成。拱肋材質為Q345qD，結構壁厚根據受力不同采用30mm、40mm及50mm三種板厚，橫隔板厚度為16mm和12mm，加勁板厚度為24mm和16mm。

3 拱肋施工技術方案

3.1 拱肋施工重難點

承天大道跨外秦淮河157m異形系桿拱橋拱肋結構形式較為復雜，造型非常規。拱肋采用六邊形結構，拱肋交叉節點4個、拱與梁交叉節點4個。根據本橋特點，拱肋為非對稱結構、空間扭曲，線形控制難度大，施工中的實際受力和變形狀態不確定性較大，應對各施工工程進行嚴格的監控，以確保拱肋整體線性滿足設計要求，結構受力狀態安全可靠。

3.2 拱肋施工工藝

3.2.1 拱肋節段劃分

為了滿足拱肋安裝的施工要求，結合橋型結構寬度、高度及內河浮吊現場吊裝能力，鋼箱拱節段劃分如圖2所示，其中S2、S5、S10、S13拱肋節段進一步詳細劃分，以此來保證結構形式滿足水運限寬要求。

圖2 拱肋節段劃分示意圖

3.2.2 拱肋節段制作

由于部分節段線形復雜，需要在工廠內進行放樣、下料、劃線和焊接等工藝，以保證拱肋在彎曲成型后具有較大曲率。鋼箱拱節段制造總體流程見圖3。

圖3 拱肋節段制作流程圖

3.2.3 拱肋支架搭設

拱肋支架搭設分兩步進行，第一步下層拱肋支架在主梁標準節段拼裝完成后搭設，采用200t汽車吊進行；第二步上層拱肋支架在主梁就位，下層拱肋安裝結束后搭設，在水中采用350噸浮吊進行。上層拱肋安裝最高處達到45m左右。

拱肋支架采用裝配式格構柱形式，標準節段分別高6.0、3.0、1.0m；連接系采用φ325×6mm鋼管，橫向系桿采用φ 325×6mm，系桿斜撐采用φ89×4mm，拱肋支架通過標準件及連接件組合而成。

3.2.4 拱肋吊裝順序

由于拱肋的吊裝順序對拱肋和橋體的受力影響很大，因此在施工前應在拱肋線形和整橋受力、變形滿足設計要求的原則下，合理制定拱肋的吊裝順序，拱肋合攏節段的安裝決定拱肋整體連接性能的好壞，合攏節段的安裝是施工的關鍵步驟。

根據拱肋的結構特點和現場施工條件，采用先拼裝下層拱肋，再拼裝上層拱肋的施工順序，拱肋安裝的主要施工工況見表1。

拱肋安裝施工工況 表1

下層拱肋拼裝順序：左側：S9→S10-2→S10-1→S10-3→S4→S5-3，右側：S8→S7→S6→S5-1，選取S5-2為合攏段，最后安裝S4段。

上層拱肋拼裝順序：左側：S0→S1→S2-1→S3，S2-2為合攏段，右側：S15→S14→S13-3→S11→S12→S13-2，S13-1為合攏段。

4 拱肋施工過程模擬結果分析

為了保證施工過程的安全，采用有限元分析軟件Midas Civil對秦淮河特大橋157m異形系桿拱橋的拱肋安裝施工進行了全過程仿真模擬，得到了安裝過程中各個工況上、下層拱肋鋼箱拱的應力值和豎向位移。

4.1 計算模型

計算模型拱肋（圖4）部分共有197個節點，202個單元，梁單元兩端均采用固接。拱肋節段鋼箱梁采用Q345鋼材，所有的截面鋼材厚度均大于16mm，小于等于40mm。模型中考慮恒荷載、施工荷載、溫度荷載和風荷載，其中恒荷載根據橋梁自重的實際情況添加補重0.15G（包括節點加勁、螺栓、結構補強等）。根據《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[8]的規定滿足如下要求：①鋼構件的應力限值為295MPa；②鋼箱拱受彎構件的撓度容許值為L/400。

圖4 有限元分析模型

4.2 計算結果

拱肋安裝過程中各工況的豎向位移見圖5，應力分布見圖6。整個施工過程中拱肋及拱肋支架的最大變形值為-58.28mm，小于392.5mm；拱肋應力最大值為-55.30MPa（正、負代表拉、壓），合龍后拱肋最大應力為-96.81MPa，遠小于295MPa。結果表明，拱肋在安裝過程中的線形和受力均能夠滿足規范要求。

圖5 拱肋施工工況豎向位移

圖6 拱肋施工工況應力分布

根據模擬結果可以發現，由于拱肋支架對于上部拱肋具有支撐作用，拱肋作為未合龍的懸臂結構所受的應力較小，但上層拱肋的線形隨施工的變化較為明顯。工況4、工況5和工況6分別上層拱肋左側合龍和上層拱肋右側合龍以及拱肋落架，拱肋的最大豎向位移均發生不同程度的突變。因此在施工過程中應對上層拱肋合龍線形和施工精度進行重點把控，降低后續系桿張拉對拱肋受力可能造成的不利影響。

5 拱肋安裝監控方案

5.1 位移監測

根據模擬結果，拱肋安裝施工的關鍵步驟包括拱肋吊裝、拱肋合龍和拱肋支架拆除。如圖7所示，為了精確控制標高，在各截面編號之間適當布置了控制截面并分別編號為拱肋A1～16、B1～13和C1～3，每個控制截面設置1個測點，拱肋共計32個測點。采用精密全站儀加棱鏡模式對拱肋節段角點和中點監測各關鍵控制點的軸線平面位置和高程，用兩臺高精度全站儀分別架在拱肋的東側和西側，獨立測量以保證拱肋節段的空間位置滿足設計線性要求。

圖7 變形監測點布置

5.2 應力監測

為了獲取拱肋安裝和拱肋支架拆除施工過程中關鍵拱肋節段斷面的應力狀態，應變監測頻次采取實時監測，并根據Midas計算確定拱肋截面的最不利位置。最終在拱肋上布置了14個應力測試斷面（拱肋截面A～M），每個控制斷面布置4個應力測點，拱肋段共布置56個應力測點，測點布置見圖6。各測點的監測儀器安裝時間與施工進程相匹配，并根據各拱肋節段的施工進度進行安裝。

圖8 應力測點布置圖

6 監測結果與模擬結果對比分析

6.1 豎向位移分析

由于施工過程中，拱肋支架拆除落架前后，拱肋線性變形最大，該工藝流程為施工過程最不利情況，故選取監測所得到的拱肋落架前后的監測數據（表2）與Midas有限元分析結果進行對比，如圖9所示。

圖9 落架前后測點豎向位移對比

落架前后測點位移結果 表2

根據測點數據對比可知：

①落架后，由于拱肋B單側跨度較長、噸位較大，使得測點A5以及測點B10的豎向位移最大，各拱肋在落架后的豎向變形分布情況與模擬結果保持一致；

②在整個施工過程中，實測值與計算值差異在±15mm內，兩者吻合程度較好，且均未超過L/400限值。

6.2 應力分析

選取部分應力測點進行實測值與應力值對比。由于拱肋測點是隨施工而增加的，為了能夠反映施工全過程下拱肋的應力變化特點，選取測點E、F、G，對6個工況下的數據進行對比，對比情況見圖10。

圖10 部分測點應力數據對比

①整個拱肋吊裝過程中，應力在工況6的突變較大，拱肋以受壓為主，其余工況的應力變化趨勢較為穩定。拱肋吊裝過程中的監測值與數值模擬變化趨勢基本保持一致。

②整個拱肋吊裝過程中，模擬值與監測值差異在±9MPa內，且遠小于295MPa，兩者吻合較好。

7 結論

①分析承天大道跨外秦淮河大橋的拱肋安裝重難點，制定了該下承式空間多索面異形系桿拱橋拱肋吊裝的施工方案與監測方案。

②建立了Midas有限元拖拉模型，分6個工況對拱肋安裝進行了全過程分析，結果表明拱肋的變形與受力均滿足規范要求。

③將模擬和監測結果中的拱肋節段測點豎向位移和應力值進行對比。通過比較可知，監測和模擬變化趨勢相同，結果基本吻合。該拱肋施工技術合理可行，能夠保證拱肋施工滿足線形和受力要求。