下承式空間多索面異形拱橋的系桿張拉施工技術(shù)及監(jiān)控分析

王杰，錢有偉 （中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131）

1 引言

異形系桿拱橋由于其外形獨特、造型新穎美觀，成為現(xiàn)代城市景觀橋梁優(yōu)先考慮的橋型之一。該結(jié)構(gòu)形式能夠充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能以及組合作用，因此在近代橋梁領域應用逐步增多，例如上海之魚大慶橋[1]、莆田城港大道跨木蘭溪大橋[2]等。

在異形系桿拱橋吊桿張拉施工全過程中，由于拱肋的不對稱性，使得張拉順序和張拉力對主梁及拱肋的變形、應力影響較大。如果不能合理地制定吊桿的張拉順序，有效控制張拉力的大小，合理地確定索力計算方法，會對結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大影響。李曄等[3]對大跨徑鋼管混凝土拱橋的張拉索力提出優(yōu)化計算方法，利用黃金分割優(yōu)化理論對安裝過程中的索力進行優(yōu)化，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果驗證了優(yōu)化理論模型的準確性。王靜峰等[4]對針對濟南公鐵兩用橋加勁弦和吊桿的受力特點提出了不同的安裝方案，通過數(shù)值模擬明確了最優(yōu)技術(shù)方案。張振偉等[5]對秋湖里飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋進行參數(shù)分析，研究了不同系桿初拉力對成橋線形的影響，并設計了最佳吊桿張拉方案。

為了確保系桿拱橋在吊桿張拉施工階段的安全性，保證橋梁在使用階段的穩(wěn)定性和耐久性，因此，有必要對吊桿張拉全過程進行仿真模擬和施工監(jiān)控分析，確保施工的安全性和橋梁線形與受力的合理性。秦翱翔等[6]對鄭—萬鐵路河南段128m鋼管混凝土系桿拱橋模擬分析了吊桿張拉施工全過程，并進行了監(jiān)測分析。馮志強等[7]對南水北調(diào)中線某跨徑為103m的鋼管混凝土系桿拱橋進行了吊桿張拉監(jiān)控分析，并根據(jù)分析結(jié)果合理調(diào)整張拉力與拱肋線形，評估張拉方案的可行性。

2 工程概況

承天大道外秦淮河大橋(如圖1所示)位處南京外秦淮河河道上口寬約168m，為157m跨下承式空間多索面異型系桿拱橋。主橋橋面采用整體式正交異性板扁平鋼箱梁。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(qū))+11.0m(車行道)+4.0(拱肋及吊桿區(qū))+11.0m(車行道)+4.5(拱肋及吊桿區(qū))+3.5(人行道及非機動車道)=42m。橋面設雙向2%橫坡。標準節(jié)段鋼箱梁橫向分為五個箱體，跨中高度為3.03m，兩端支座處非標準節(jié)段為上下雙層鋼箱梁跨中高度為4.532m。

圖1 跨外秦淮河特大橋

主橋為非對稱拱橋，拱肋內(nèi)側(cè)為規(guī)則矩形鋼箱，外側(cè)焊接12mm厚裝飾板，形成六邊形異型鋼箱拱，拱軸線采用直線、圓曲線組成。拱肋結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345qD鋼板，結(jié)構(gòu)壁厚根據(jù)受力不同分別采用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 吊桿張拉施工技術(shù)

吊桿采用對稱張拉的方法施工。根據(jù)吊桿分布，將吊桿以懸掛拱肋的名稱進行編號，共分為3組。拱肋A吊桿DG1a～12a(DG1a’～12a’)24 根，拱肋 B吊桿DG1b～9b(DG1b’～9b’)18根，拱肋C吊桿DG1c～11c 11根，如圖2所示。

圖2 吊桿布置及編號

從施工角度，應盡量減少張拉次數(shù)；從受力要求考慮，在施工過程中應盡量減小拱肋的彎曲應力，并且要考慮成橋后控制截面的受力要求，需要多次張拉，增加了施工難度。以拱肋線形為控制指標，采用先張拉A、B長索控制最高拱頂標高，再張拉短索C調(diào)整局部線形的張拉順序來確保張拉過程中結(jié)構(gòu)的變形與安全。

索力張拉總原則：先張拉長索（A、B拱肋），后張拉短索（C拱肋）。其中，A、B拱肋除A1、A2、B8、B9索后張拉外，其余按由中間向兩側(cè)的順序進行分批對稱張拉，然后C拱肋由兩側(cè)向中間進行張拉，在張拉完A1、A2、B8、B9索后，張拉C3、C4、C5、C6與C7索。為達到設計成橋索力目標，C4索掛設后不進行初張拉或只是初步張緊，張拉的主要施工順序見圖3和表1。

圖3 跨外秦淮河特大橋吊桿主要施工順序

4 施工全過程仿真模擬

為了準確反映該橋梁在吊桿張拉施工過程中的受力特征和變化規(guī)律，本章采用Midas/Civil建立了全橋有限元模型，并對吊桿張拉施工進行了全過程分析。結(jié)構(gòu)整體模型如圖4所示。

此次設計的射頻模塊從天線獲得射頻信號，通過變頻產(chǎn)生模擬中頻信號，并帶有獨立供電電路的射頻模塊[9-13]。

圖4 全橋有限元模型

該模型共包括1014個節(jié)點、1602個單元。其中，主梁和拱腳采用梁單元并通過梁格法建立；拱肋采用梁單元，并根據(jù)施工圖對拱肋的劃分情況將其離散化處理；吊桿采用桁架單元。為了模擬主梁與底部與滑道梁的接觸，將主梁底部與滑道交接處采用剛域處理。拱腳與水中支架采用固結(jié)邊界條件。拱肋與主梁采用Q345qD鋼材；水中支架采用Q235B和Q355B鋼材，鋼材強度設計值分別為215MPa和265MPa；吊桿采用鋼絞線，其斷裂強度為1670MPa。

吊桿張拉全過程的計算工況與表1的施工順序?qū)Ｓ嬎氵^程中考慮施工中人工與器械的重量和拼裝中螺栓和端板的重量，對結(jié)構(gòu)進行補重，并取自重系數(shù)為1.2。

吊桿施工順序 表1

通過對施工過程正裝分析[8]，得到了各批吊桿的初張拉力，如表2所示。由于不同位置吊桿的張拉會影響結(jié)構(gòu)整體的線型和內(nèi)力，因此在吊桿施工的過程中需要實時監(jiān)測拱肋、主梁的變形和應力變化。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB50017）[9]和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》（JTG D64）[10]的規(guī)定，本工程設置了相應的預警值[11]：

吊桿分批張拉順序及初張拉力(kN) 表2

①鋼構(gòu)件的應力限值為215MPa和265MPa；

②主梁最大豎向變形應小于L/400，即 392.5mm（L 為主梁的計算長度）。

部分施工工況下主梁與拱肋的應力和位移分布如圖5所示。在吊桿施工過程中主梁和拱肋應力最大值為110.34MPa，豎向變形最大值為105.3mm，均可以滿足預警值的要求，驗證了跨外秦河特大橋吊桿施工方法及順序可以滿足設計要求，能夠保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全，為現(xiàn)場實際施工提供了合理的計算依據(jù)。

圖5 跨外秦淮河特大橋吊桿施工主要過程模擬

5 施工全過程監(jiān)控分析

根據(jù)Midas/Civil對各個工況的計算，在結(jié)構(gòu)變形，應力變化較大處布置了監(jiān)控測點，同時為了監(jiān)控吊桿張拉力，也在每根吊桿處設置了監(jiān)控測點。

5.1 變形監(jiān)控

變形監(jiān)控測量的主要任務是測量張拉吊桿過程中主梁和拱肋的控制標高。采用徠卡TM30自動全站儀和Trimble DiNi 03高精度電子水準儀進行測量。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編號主梁1～25，拱肋1～57，主梁每個控制截面橫向設3個標高測點，拱肋每個控制截面設置1個測點，主梁共計75個測點，拱肋共計57個測點，測點布置見圖6。

圖6 變形測點布置圖

5.2 應力監(jiān)控

應變監(jiān)測頻次采取實時監(jiān)測，根據(jù)計算確定應力測試截面具體位置，在主梁上布置6個應力及溫度測試斷面（主梁截面L1～L6）每個控制斷面布置12個應力測點；在拱肋上布置14個應力及溫度測試斷面（拱肋截面B1～B7），每個控制斷面布置4個應力測點。全橋共布置156個應力測點，采用JMZX-212表貼式應變計進行測量，具體見圖7。

圖7 應力測點布置圖

5.3 吊桿張拉力監(jiān)控

對已張拉的吊桿進行測試采用頻譜分析法，采用JMM-268索力動測儀器對全橋53根吊桿進行監(jiān)測，測點位置距離下吊點約2m處。

6 施工模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

為了驗證吊桿張拉施工方案的合理性和有限元模擬值的準確性，將有限元計算值與現(xiàn)場實際監(jiān)測值進行對比，并對吊桿張拉施工全過程做出合理性評價。

6.1 變形分析

根據(jù)主梁和拱肋的變形特點，分別選取了部分測點進行實測值和計算值的對比，主梁選取了中部3個測點（測點1、測點11、測點21、測點25），拱肋A～C選取了3個測點（測點A9、測點B4、測測點C2），并對其進行12個施工工況下的對比分析。主梁和拱肋的測點對比情況如圖8所示。

圖8 部分測點變形對比分析

根據(jù)部分測點對比結(jié)果可知：

①有限元模擬計算值與實際監(jiān)測值的變化趨勢總體吻合較好，多數(shù)工況下的實測值與計算值的誤差能夠控制在25mm以內(nèi)，個別工況下的誤差超過25mm，但是由于監(jiān)測值均滿足規(guī)范要求，可以看做其具有一致性，較好地驗證了吊桿張拉施工過程的合理性和安全性；

②水中支架拆除后（工況10），主梁和拱肋測點的變形值發(fā)生了突變，主梁和拱肋的變形均呈增大趨勢；

③主梁中部和拱肋B長拱腳段的變形在吊桿張拉整個施工過程中的變形始終較大。

6.2 應力分析

根據(jù)主梁和拱肋的受力特點，分別選取了部分測點進行實測值和計算值的對比，主梁選取了L1、L3、L6三個截面共3個測點（測點L1-6、測點L3-1、測點L6-7），拱肋A～C選取了3個截面（測點A5、測點B7、測點C2），并將各截面位置上下測點最大值作為拱肋上下緣最大應力，并對其進行12個施工工況下的對比分析。主梁和拱肋的測點對比情況如圖9所示。

圖9 部分測點應力對比分析

根據(jù)部分測點對比結(jié)果可知：

①有限元模擬計算值與實際監(jiān)測值的變化趨勢基本吻合，多數(shù)工況下的實測值與計算值的誤差能夠控制在10%以內(nèi)，個別工況下的誤差超過10%，但是由于監(jiān)測值均滿足規(guī)范要求，可以看做其具有一致性，較好地驗證了吊桿張拉施工過程的合理性和安全性；

②由于設置了水中支架，工況1～9主梁各測點的應力變化主要與吊桿張拉有關(guān)，應力變化相對較小；拱肋部分測點上下緣應力變化隨吊桿張拉的進行發(fā)生小范圍波動。水中支架拆除后，各測點的應力值均發(fā)生突變，處部分拱肋測點，其余主梁和拱肋測點的應力值均增大。

6.3 吊桿張拉力分析

通過初步計算，長吊桿所受拉力明顯大于短吊桿，由于拱肋A、B吊桿布置關(guān)于主梁中心線對稱，實際施工中對稱吊桿的內(nèi)力變化較小。根據(jù)初拉力計算情況選擇單側(cè)吊桿作為對象，由于篇幅限制，對鋪設二期恒載后的吊桿張拉力實測值與計算值進行對比，對比情況如圖10所示。表3列舉了部分吊桿在2～12施工階段下的張拉力。

部分吊桿張拉力 表3

圖10 吊桿張拉力對比分析

結(jié)合圖表可以得出：

①在未拆除水中支架前，隨著剩余吊桿逐步張拉，先前張拉的部分吊桿內(nèi)力逐漸減小，在拆除水中支架后，所有的吊桿內(nèi)力迅速增大，但其張拉力遠小于設計值1670MPa；

②部分吊桿張拉力監(jiān)測值超過了計算值的10%，但是總體上模擬和監(jiān)測效果較好，吊桿張拉力的計算值與實測值吻合較好，變化趨勢能夠保持一致。

7 結(jié)論

①跨外秦淮河特大橋的結(jié)構(gòu)體型復雜，吊桿張拉施工對異性拱的線性控制較為困難，施工難度大。本文提出的“先長索、后短索分批對稱張拉”施工技術(shù)，可以實現(xiàn)吊桿安裝、對稱張拉、線形調(diào)整全過程精確控制。

②有限元分析能夠準確模擬吊桿張拉施工過程中結(jié)構(gòu)各部位應力-應變狀態(tài)和結(jié)構(gòu)整體變形的規(guī)律。計算結(jié)果表明，本文提出的施工方法能夠有效保證下承式空間多索面異性系桿拱橋在吊桿張拉施工過程中的安全性。

③本文實施的監(jiān)測技術(shù)可以較好地監(jiān)控結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形。監(jiān)測結(jié)果與有限元計算結(jié)果具有良好的吻合性和變化的一致性，為橋梁安全施工提供了可靠的信息，同時也驗證了本文吊桿張拉的施工方法可以在同類工程中應用。