超寬幅梁拱組合鋼結構景觀拱橋施工關鍵問題研究

黃 華，蒲少杰，李小祥

（1.深圳市前海建設投資控股集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.同濟大學，上海市 200082）

0 引 言

隨著我國城市化進程的不斷推進，大眾對精神層面的審美要求不斷提高，城市橋梁不僅需要滿足基本的交通通行需求，對其建筑景觀功能也提出了更高的要求[1-5]。橋梁獨特的景觀造型給施工帶來一定的難度。

梁拱組合體系橋梁以拱結構豐富多變造型、梁拱組合形式和景觀表現手法多樣等特點而廣泛使用于城市橋梁的建造。其中，拱結構主要用于承壓，梁結構主要承受彎矩作用，梁拱組合體系共同抵抗結構荷載[6-7]，充分利用了拱、梁結構的力學特點，降低了對橋址處地基的要求，達到節約材料、節省成本的設計目標[8-9]。

深圳夢海前灣河橋采用下承式簡支鋼箱拱橋，是一座超寬幅的梁拱組合鋼結構景觀拱橋。由于該橋地處城市主干道，采用超寬幅橋面和異形拱肋的結構形式，施工采用先梁后拱的少支架方案，主要構件均為空間曲線造型，施工技術難度較高，對施工精度控制和質量控制提出了一定的挑戰。

1 工程概況

深圳夢海前灣河橋跨越前灣河水廊道，全長161.22 m，橋面寬46.5 m，采用簡支拱梁組合體系鋼橋，由主拱架、主梁、剛架、橫向聯系桿、吊桿等構件組成，如圖1 所示。本橋以“護佑之翼”為主題進行設計，凸顯前海地區獨特的建筑藝術和城市景觀，最終設計方案如圖2 所示。

圖1 夢海前灣河橋總體造型方案

圖2 夢海前灣河橋鳥瞰效果圖

空間剛架拱由3 道獨立的單箱拱架組成，并用過橫向聯系桿件連接，各橫斷面大致為三角形結構，如圖3 所示。主梁采用封閉的正交異形板鋼箱梁，箱梁全寬為46.4 m，兩側懸臂寬為5.25 m，箱梁中心處梁高為2.3 m。側分帶上的剛架由剛架立柱和剛架梁組成，起到人車分離的作用，跨中最低高度為8.73 m，橋梁兩端最高為11.42 m。在主拱和剛架之間每隔7.05 m 設置一道變截面橫向聯系桿件，并向剛架外側伸展，延伸至人行道外側，體現出展翅騰飛的造型效果。

圖3 夢海前灣河橋立面及標準橫斷面圖（單位：mm）

全橋共設置3 道吊桿面，中間索面共21 對，采用平行鋼絲柔性吊桿，拉索上、下錨點分別采用可張拉式冷鑄錨頭和叉耳式耳板，分別錨固于主梁和拱架；兩側各設置一個19 道不銹鋼棒索面吊桿，分別錨固于人非混行道上面橫向聯系桿和人行道梁上。

2 施工方案

本橋施工采用“先梁后拱”的施工方法。主梁在橋位處的拼裝平臺上與上一次輪的母梁匹配，二次組裝成大節段，完成后依次拖拉1 段母梁至大里程側安裝位置在支架上進行吊裝焊接。鋼箱梁全部焊接完成后，復測鋼箱梁線形符合設計要求，在鋼箱梁頂部安裝拱肋安裝支架，利用130 t 汽車吊分段從兩端向中間對稱吊裝各拱肋分段，至拱頂合龍，完成主拱肋的安裝。

主拱肋全部安裝完成后，利用25 t 汽車吊安裝主拱肋吊桿、拱肋支架托架，拆除拱肋拼裝支架后依次從拱腳向跨中對稱張拉吊桿。然后在橋面上搭設剛架的安裝支架，剛架采用130 t 汽車吊，左右兩側的剛架均是從中間向兩邊對稱安裝。先吊裝剛架立柱，然后吊裝立柱之間的橫梁，最后從大里程向小里程依次安裝剛架的內外側橫向連接系桿件。

兩側剛架和橫向聯系桿件，與主拱形成整體后，第二次張拉中間吊桿，先拆除橋面上的支架，再拆除橋下支架，完成結構體系的轉換；安裝人行道板，安裝邊吊桿并張拉，安裝防撞護欄、欄桿、鋪裝以及伸縮縫等附屬設施。

3 施工關鍵問題分析

本橋梁拱結構復雜，主拱采用三維空間曲線造型，主梁為超寬幅橋面，節段大、分段多，對廠內制造、現場安裝的測量定位、線形控制提出了更高要求。

3.1 超寬幅橋面的主梁制造與安裝精度控制

受制于加工制造和運輸條件，主梁在縱橫方向上都采用分塊預制，架橋時整體組拼焊接、拖拉施工。標準節段橫向劃分為17 個節段，縱向劃分為13個節段，如圖4 所示。各劃分梁段在組拼時都有唯一的空間位置，因此，對拼裝焊接階段提出較高的精度要求，以保證組拼后，梁體結構橫、縱雙向表面平順，保障結構的受力性能。

圖4 主梁（標準段）結構示意圖

為解決以上問題，在施工詳圖設計時利用BIM技術，精確控制各分段結構在施工和成橋階段的空間位置，設計施工圖以三維空間和二維平面結合。加工制造時，參照設計圖及制造工藝要求，采用計算機對各構件模擬放樣并核定檢驗。按工藝要求制作必要的角度、槽口、樣板和胎架樣板，在組拼架設前，在工廠內進行預拼，保證組裝精度在可控范圍內；現場實際架設時，采用較高精度的校準系統輔助拼裝。

3.2 異形主拱的制作與安裝精度控制

主拱為由3 個單獨拱架聯系而成的空間結構，鋼橋面到拱架頂部的距離為23.382 m。主拱結構造型豐富，制造和現場的安裝難度大，對測量定位、線形控制要求高。

為精確控制拱肋線形，在設計階段考慮安裝組拼的要求，基于BIM 進行三維建模、碰撞檢查、計算機虛擬拼裝等技術手段確保制造和安裝方案的可行性。在鋼構件制造時整體放模制作、預拼裝，確保線形和精度后再拆分為節段運輸至現場進行二次組拼，在預拼裝胎架上劃出3 向控制線和控制點，供施工現場精確定位安裝。在施工監控中，采用空間有限元程序對結構進行高精度仿真分析，考慮臨時支架及結構的整體剛度的影響，通過合理的施工預拱度設置保證最終成橋后的拱肋及橋面線形達到成橋目標狀態（見圖5）。

圖5 拱肋制造線形數據

3.3 吊桿張拉方案及精度控制

吊桿張拉在主拱安裝后進行，由于本橋主副拱肋和吊桿體系布置復雜，結構的空間受力行為受吊桿張拉影響顯著，且吊桿張拉力控制受相鄰吊桿的張拉力相互影響。因此，必須做好精細化計算模擬，張拉過程中精確控制張拉力，并提前設置應急預案。

此外，吊桿下料長度的計算是此類橋梁結構的難點之一。影響下料長度的因素包括主梁、拱肋的安裝誤差，吊桿張拉過程的實際伸長量誤差、吊桿張拉過程中主拱和梁的實際變形誤差。若正誤差較大，會造成錨頭外露情況，影響美觀；若產生負誤差，則會導致無法張拉。

首先，吊桿張拉大小及順序優化通過幾種張拉方案的對比計算，確定最優的施工方案，使得結構內力狀態達到最優。其次，基于合理的成橋狀態和拱、梁拼裝誤差，計算吊桿的無應力下料長度，為張拉作業提供保障。再次，吊桿張拉千斤頂的選型和精度應與張拉噸位匹配，確保張拉控制水平符合精度控制要求。最后，對吊桿張拉過程進行監測，并對張拉誤差進行分析，提出合理的調整方案，確保最終的成橋吊桿力符合設計要求。

3.4 臨時支撐體系受力性能分析

本橋采用“先梁后拱”的施工方法，主梁和主拱在形成體系之前采用鋼管樁進行臨時支撐。由于結構自重較大，且施工過程中的臨時荷載復雜，支撐體系的受力狀態一直處于變化狀態。構件眾多的縱橫梁體系可能存在由于局部支撐失效導致整體倒塌情況，支撐體系的穩定與安全性存在一定的控制難度。

為了保障臨時支撐體系在整個施工過程中的受力安全，建立精細化有限元模型，如圖6 所示。對橋梁結構安裝過程中出現的各類最不利荷載效應進行計算，驗證結構的受力、變形特性，對于受力較大的構件，提出施工過程中的安全保障措施，并嚴格控制構件的現場連接施工質量、現場臨時荷載大小。

圖6 臨時支撐體系空間計算模型

4 施工過程監控與成果

4.1 有限元建模

本計算采用空間桿系有限元進行建模計算。其中，拱肋、系梁、剛架及橫向連接系采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。全橋共劃分844 個節點、916 個單元。有限元模型見圖7。

圖7 夢海前灣河橋Mida s 空間計算模型

通過對過程模擬，計算得到施工階段和使用階段的結構應力狀態、變形和吊桿力，為施工監控提供理論參照。并通過施工監控信息系統，對施工數據進行全過程管控，確保施工質量，如圖8 所示。

圖8 施工監控信息系統應用

4.2 線形監測

主梁縱向共11 個測試斷面，每個斷面3 個位移測點，共計33 個主梁位移測點。拱肋線形監測截面共7 個，測點布置如圖9 所示。

圖9 主梁及拱肋標高測點縱向布置示意圖

成橋狀態下，通過對夢海前灣河橋橋梁頂各控制點高程通測數據分析，主梁標高實測值與理論值的誤差為-27～26 mm，主梁線形誤差均控制在±30 mm以內，橋面整體線形總體平順，滿足規范要求，如圖10 所示。

圖10 成橋狀態下主梁整體線形折線圖（單位：m）

通過對夢海前灣河橋拱肋線形分析，拱肋完成后標高實測值與理論值的誤差在±10 mm 以內，表明拱肋的拼裝精度滿足設計要求，如圖11 所示。

圖11 主橋拱肋完成后標高誤差圖（單位：mm）

4.3 應力監測

對施工過程中主梁、主拱的受力情況進行監測，應力測點布置方案如圖12 所示。拱肋、主梁各布設5個應力測試控制截面，每個斷面各布設6 個傳感器，全橋合計60 個應力測點。采用振弦式應力傳感器進行跟蹤測量。

圖12 主梁及拱肋測點布置圖

通過對施工過程主梁和拱肋關鍵截面應力監測表明，實測應力水平趨勢與理論計算相一致，如圖13、圖14 所示。應力誤差水平均在10%以內，結構受力狀態符合設計要求。

圖13 成橋狀態下主梁應力狀況（單位：MP a）

圖14 成橋狀態下拱肋應力狀況（單位：MP a）

4.4 吊桿力監測

通過現場油壓千斤頂拉拔和采集吊桿振動頻率，然后計算各個吊桿的吊桿力。通過對吊桿張拉過程索力進行監測，其理論值與實測值如圖15 所示。成橋后各吊桿力誤差范圍為-2.6%～9.5%，實測索力與成橋索力誤差均控制在±10%范圍以內（見圖16），滿足施工技術規范要求。

圖15 成橋狀態下吊桿力理論值與實測值對比分析圖

圖16 成橋狀態下吊桿力誤差圖

5 結 語

深圳夢海前灣河橋采用簡支梁拱組合體系鋼橋，充分利用了兩種結構的力學特性，體現了組合結構的優越性，也滿足了城市建設的景觀要求。在施工及監控過程中取得以下結論：

（1）為滿足主梁制造和安裝精度要求，利用BIM技術對結構的空間定位進行精確控制，在工廠內進行預拼保障精度在可控范圍，并在實際架設過程中采用較高精度的校準系統輔助組拼。

（2）為滿足異形主拱制造與安裝精度，充分利用BIM 技術驗證施工可行性，除在廠內預拼裝外，在現場再進行二次組拼，確保最終安裝精度。同時在施工監控中采用空間有限元進行計算仿真提供準確的施工預拱度。

（3）為保證吊桿的張拉精度，對吊桿的張拉順序進行優化。基于合理成橋狀態，計算吊桿的無應力下料長度。在實際張拉過程授中，保證吊桿張拉千斤頂的選型和精度與張拉噸位匹配，并進行精細施工監控，確保符合設計要求。

（4）通過對施工監控結果與計算分析的對比，主梁線形和拱肋線形誤差均控制在±30 mm 以內，主梁、拱肋關鍵位移應力水平與理論值基本一致，實測成橋吊桿力與理論吊桿力誤差均控制在±10%范圍內，滿足設計預期目標要求。