斜跨拱橋拱肋施工關鍵技術研究

趙長龍

[中建國際投資（貴州）公司，貴州 貴陽550081]

0 引言

隨著交通基礎設施的不斷發展以及城市化進程的持續推進，人們對于橋梁的景觀要求不斷提高，橋梁不再僅為滿足跨越河流溝壑等障礙這一基本要求服務。拱橋作為一種能給人以自然和諧感覺的結構形式，能自然地融入周邊環境，使人賞心悅目，滿足大眾的審美要求，因此這種結構形式備受工程師的喜愛。相比于與主梁方向一致的傳統布局拱橋，異化的拱橋在保持原有拱橋美感的基礎上，又通過結構斜交穿插等變化，增添了幾分動感，斜跨拱橋就是其中突出的代表之一。斜跨拱橋利用拱肋斜跨過主梁兩側，吊索形成空間扭曲索面，拱橋的立體感更為強烈，一般作為地標性建筑，不僅遠遠望去十分壯麗美觀，從橋下高速公路行車的視角看，也有不同的觀景感受，適用于景觀要求較高的大中型規模橋梁。然而，這種新型的斜跨拱橋結構較為復雜，彎剪扭等多種力學特性耦合，在各種設計參數對結構內力的影響方面尚缺乏深入的研究，尤其是施工較為困難。拱肋作為拱橋的主要承重構件，為確保其在整個施工過程的安全性和穩定性，必須對其施工過程進行監控，由于施工及控制不當，曾發生過嚴重的事故[1]。因此，近些年對于斜跨拱橋施工控制的研究已愈發引起眾多工程和技術人員的關注。

1 設計方案簡介

某異形鋼拱橋采用拱肋斜跨曲線鋼主梁的設計方案（見圖1）。主要由斜拱、彎梁以及網狀的空間斜向交叉吊索組成，集彎、斜、交于一體，構成了該橋獨特的造型，這種結構索面井然有序，主梁與弧線拱相交叉造就了和諧流暢的橋梁景觀，變化中又有規律可循[2]。斜跨拱橋不同于窄橋，其厚重而具有較強的立體感。針對斜跨拱橋拱腳與主梁距離太近縮小行車凈空的問題，出于經濟性和整體美觀性考慮，又不允許大幅度增大拱肋跨徑，因此增大拱肋矢跨比是能夠符合經濟和美觀要求的解決該問題的較為合理的方法[3]。為了保持橋梁的整體協調、美觀，方案中拱肋的設計跨徑和主梁跨徑基本一致，但相互對比之下拱肋矢跨比設置較大，這樣就能獲得較大的行車凈空[4]。同時，在滿足行車凈空的前提下，吊索均勻分散布置在拱上，這樣不僅能改善拱的面內受力狀態，還能優化拱軸線形。設計中吊索成對布置，并盡量使索力在面外方向互相平衡，減小拱的面外彎矩以改善拱的整體受力。基于這種吊索的布置方式，主梁兩端無索區長度應適當加長，同時減小兩端短吊索的索力，盡量降低拱肋所受的不平衡水平力，該區域的豎向荷載主要由主梁本身承擔[5]。

圖1 橋梁設計方案圖

2 力學特性分析

普遍情況下，異形拱橋相比于常規拱橋，雖然在視覺美感方面給人極大的震撼，但是同時也要犧牲一些結構受力的合理性。異形拱橋在設計時若一味強調受力的合理性，便會使橋梁的設計少了流暢感和立體感。在美學與力學之間找到一個平衡點，才能獲得最合適的設計效果[6]。

由于斜跨拱橋的主體結構是拱肋從主梁一側斜跨至另一側，吊索采用空間索面，吊索與橋面都存在著縱向和橫向的夾角，形式十分具有創新性，這種結構形式讓它和常規拱橋呈現明顯不同的力學特性，一方面，它不能在主梁內設置系桿來抵消拱肋端部的較大水平力，因此水平力只能傳遞到地基，在這種情況下斜跨拱橋對于地基條件有著較高的要求。另一方面，斜跨拱橋的吊索形式為斜吊索，在其作用下拱肋承受平面外彎矩、扭矩、軸力以及平面內彎矩，受力十分復雜，只有下承式和中承式拱橋能夠適應這種復雜的受力情況。可見，這種新穎的結構傳力路徑多、魯棒性強，壓彎扭耦合效應十分明顯地影響著拱肋，而且由于拱肋的異化，整體結構的穩定性往往有復雜的作用和影響，因此這種斜跨拱橋空間受力分析具有較大的挑戰性[7]。

目前對此類型拱橋力學特性的了解還不夠深入，設計理論也有待完善。同時，在無現成經驗可供借鑒的情況下，如何制訂拱肋施工方案，并明確施工各階段的控制要點，給出合理可行的技術措施，使力學狀態盡可能地達到設計要求以確保拱肋施工期間的安全性，是施工控制中必須解決好的問題[8]。

3 拱肋施工方案和施工控制

3.1 方案確定和應變控制

根據結構和現場的實際情況，確定拱肋施工方案采用原位拼裝法，即在橋跨橋面上搭設原位拼裝支架，利用龍門吊將拱肋節段按順序吊運至拼裝支架上完成拱肋拼裝。拼裝支架工程量大，龍門吊高度及安全性能要求較高。

拱肋應變施工控制是對橋梁施工過程中產生的應變進行有效監控，修正在施工過程中各種成橋指標的誤差對成橋狀態的影響，確保成橋后橋梁受力狀態滿足設計要求。在拱上結構形成中，不論什么形式的拱橋，都有著確定的受力和變形狀態，但在施工階段，拱上結構的施工順序是影響受力與變形狀態和穩定性的關鍵因素，稍有不慎就會在施工中受到破壞，所以在該過程中施工控制的實質是被動監測與調整。無論采用何種施工手段，橋梁結構均會產生變形，同時受風、溫度等非人為因素的影響，導致結構在實際建造中極易偏離預定目標，因此必須對橋梁結構實施監控，以確保結構在實際施工中的狀態與設計要求的偏差控制在允許的范圍內[9]。同時，良好的橋梁施工監測能夠實時掌握橋梁的狀態，為橋梁的安全施工保駕護航，因此橋梁施工監控是復雜結構施工過程中必不可少的關鍵一環。

為確保拱肋在吊裝過程中的安全，并掌握后期在支架拆除、吊索張拉、橋面鋪裝等成橋過程中的受力狀態，隨著吊裝的進行在其截面均埋設了傳感器，觀測其應變以及溫度效應。每個拱肋截面頂底板和左右腹板各布置兩個測點。使用這些設備實時監控橋梁的應變情況，以便及時作出應對。

3.2 拱肋體系轉換施工控制

在特殊拱肋結構形式及支架系統的作用下，落架過程相對常規拱橋而言更加復雜。而在橋面鋪裝和吊索張拉之前，拱肋的臨時支架必須拆除，使得拱肋完成分離式多點支撐狀態到裸拱狀態的體系轉換。此階段體系轉換的關鍵是支架的拆除順序，不同的拆除順序會對拱肋的應力、變形和穩定性產生較大的影響，為避免由于不合理的拆除順序可能使拱肋應力應變的變化產生較大的波動性甚至跳躍式發展，以及由此造成的后期支架受力過大需強行拆除而帶來的能量突然釋放對拱肋安全產生的不利影響，實現對拱肋支架拆除過程的控制，對該階段的結構受力狀態和變形情況進行監控與預測是十分必要的。根據實際臨時支架的位置事先建立了計算模型，據此通過對拱肋臨時支架的整個拆除過程進行仿真優化對比分析，最終確定拆除方案為從中心向兩側同時對稱拆除。

在整個拆除過程中，監測結果表明，上述拆除方案使拱肋的應力、線形變化十分平緩，較好地完成了從多點支撐狀態到裸拱狀態的體系轉換，此階段的轉換技術是成功的。如表1 所示，拆除支架后拱肋線形部分節段實際測量值與理論計算值吻合很好，全橋拱肋橫向偏位和高程最大差值均在工程允許誤差范圍內。

表1 拱肋線形部分節段理論計算值和實際測量值對比

4 結語

總而言之，每一座橋梁的建造都關乎人民群眾的生命財產安全。因此，在施工過程中應該合理規劃具體的作業流程，對各個施工流程的完成質量開展實時監測，結合實際情況，科學調整拱肋結構的外觀形態，并嚴格分析其受力情況，為拱肋施工的安全性、穩定性提供必要保障，順利完成橋梁建設，營造安全、良好的交通環境，切實提高橋梁工程的質量水平。本文的研究工作，大大豐富了我國在施工控制領域的科研成果，為類似復雜體系橋梁的建設提供了有價值的技術參考。