基于鋼箱系桿拱橋大節段拼裝施工監控技術研究

孫海鵬

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

鋼箱系桿拱橋主要由拱肋、鋼箱系桿、吊桿、橫縱梁、橫撐等構件組成。它是將梁和拱兩種基本結構組合起來的拱式組合體系橋，具有結構穩定、造型美觀、水平推力小的優點，在我國公路橋梁建設中占有著重要地位[1-2]。鋼箱系桿拱橋多采用節段拼裝法進行施工，先化整為零，后化零為整。將橋梁劃分節段，在鋼結構工廠預制成型后運至現場逐段拼裝[3-5]。

然而，在實際施工過程中，由于系桿拱橋跨度較大，利用浮吊分大節段進行拼裝，技術復雜、施工難度大，所以，在施工過程中開展安全、高效的施工監控就顯得尤為重要[6-8]。近年來，國內外學者對于鋼箱系桿拱橋在施工監控方面的研究也在不斷地優化和完善。楊坳蘭等[9-11]對施工過程中的大跨度鋼箱系桿拱橋的內力和位移進行了分析、計算和預測，有效地控制了最終線形在設計允許的誤差范圍內。蔣宗全等[12]基于實際工程，分析了鋼箱拱橋架設過程中線形控制的關鍵技術和主要架設過程，對大跨度鋼箱系桿拱橋施工監控起到了一定的借鑒作用。狄生奎等[13]通過計算拱肋節段自重作用下彈性變形引起的下撓，確定了預抬高值，使得鋼箱系桿拱橋拱肋節段吊裝后線形滿足要求。

另外，系桿拱橋結構受力復雜，施工階段受力體系轉化次數較多，系梁、拱肋、吊桿等構件難以實現精準分析。現階段國內外學者多采用有限元軟件進行結構分析，王福春等[14]利用Midas Civil 軟件對拱肋、拱腳等應力集中部位進行了重點分析；張濤等[15-16]分析了不同溫度作用下橋梁的撓度和縱向變形規律、變形機理等，為大跨下承式鋼箱系桿拱橋的施工控制和性能評估提供了參考。

本文依托蘇州市勝浦大橋改建項目，對大節段拼裝系桿拱橋提出了系統性的監測方法。通過結構特點分析、線形控制、內力調整、模型計算相結合的方法，確保施工中結構的響應處在預期范圍內。

1 工程概況

1.1 橋梁信息

如圖1 所示，勝浦大橋主橋上部跨徑布置為120+140 m 雙跨簡支下承式鋼箱系桿拱，橫向雙幅。拱肋采用全焊鋼箱結構，設兩片拱肋。主橋計算跨徑117/137 m，矢高23.4/27.4 m，矢跨比1/5，拱軸線線型為二次拋物線。拱肋中心橫向距離25.9 m。120 m 主跨每側拱肋各設置17 根吊桿，全橋共2×34 根，140 m 主跨每側拱肋各設置20 根吊桿，全橋共2×40 根。

圖1 勝浦大橋立面圖

1.2 施工流程

勝浦大橋采用大節段拼裝，利用浮吊在橋位處安裝施工，如圖2 所示，具體流程如下。

圖2 勝浦大橋施工立面圖

（1）鋼管樁臨時支撐施工。

（2）采用200 t 浮吊船將主橋120 m 跨系桿，橫梁及橋面板分階段吊裝拼接后焊成整體。

（3）在系桿上搭設豎向格構支架，吊裝拱肋節段及風撐節段，分段拼裝、焊接成整體。

（4）拆除拱肋與系桿間臨時支撐，安裝吊桿。

（5）主橋140 m 跨采用相同方法施工。

（6）拆除臨時支架，澆筑橋面鋪裝，安裝伸縮縫及其他附屬設施，交工驗收。

2 施工監控主要內容

2.1 施工監測方法

結合本監控項目的實際情況，選用閉環控制方法。閉環控制法可以按照性能最優的原則對施工誤差進行糾正和控制，使得誤差已經發生的結構狀態達到最優。其基本步驟如圖3 所示。

圖3 施工監控方法流程圖

2.2 橋梁特點分析

勝浦大橋主橋為大跨徑寬幅鋼箱系桿拱橋，利用浮吊分大節段拼裝，技術復雜、施工難度大。橋梁由鋼箱拱肋、鋼箱系桿并綴以吊桿，構成縱向受力體系。橫梁、正交異性交面板及現澆層等構成橋面行車系。橋面恒載及活載通過橫梁作用于系桿，并傳給吊桿和拱肋。拱肋產生的不平衡水平推力通過系桿來承受。經分析認為，施工關鍵工序為拱肋系桿的預制及拼裝成型和分步張拉吊桿力，其特殊的施工方式，使得結構有如下特點。

2.2.1 系梁線形控制難度大

使用大節段吊裝，系梁節段跨度大。采用先在支架上簡支安裝，再焊接成形的方式施工，系梁在合龍后，會存在初始變形，如圖4 所示。

由圖4可知，采用先簡支架設，再在支架上焊接的安裝形式，系梁不可避免的會出現初始變形，這對成橋線形是非常不利的。因此，要確保勝浦大橋線形整體平順、滿足設計線形，就要根據大橋支架的布置情況，選擇撓度較大的大節段，設置專門的節段預拱度，進而確保大橋成橋線形滿足設計要求。120 m、140 m 跨徑右幅橋梁局部施工預拱度設置如圖5、圖6 所示。

圖4 勝浦大橋系桿變形

圖5 120 m 跨徑右幅局部施工預拱度設置

圖6 140 m 跨徑右幅局部施工預拱度設置

2.2.2 拱肋架設標高控制難度大

勝浦大橋的拱肋，采用在系梁上搭設支架，大節段吊裝后再焊接的形式安裝。在拱肋合龍之前，勝浦大橋的拱肋無法形成穩定受力的體系，拱肋的自重荷載等作用均需要由支架承擔，而拱肋支架并非架設在可靠的地基上，而是在系梁上，部分支架架設在系梁節段跨中位置。在拱肋及支架自重荷載作用下，系梁會產生一定的下撓，進而引起拱肋的下撓，如圖7 所示。

圖7 勝浦大橋拱肋架設階段位移示意圖

2.2.3 大節段拼裝結構存在初始應力

勝浦大橋的支架架設，與設計施工流程圖中的支架相比較為稀疏。采用大節段拼裝施工的方式，簡支狀態下的系梁不可避免的會出現下撓變形，在這種狀態下，系梁焊接合龍，系梁的變形可以利用設置預拱度的方式消除，但系梁內力無法有效地消除。系梁在合龍狀態下的結構初始應力如圖8 所示。

圖8 勝浦大橋系梁初始內力

結構過大的初始內力，會導致橋梁成橋狀態下的內力較大。在橋梁運營后汽車荷載、溫度荷載等活荷載的組合作用下，結構的應力幅可能較大。

2.2.4 鋼結構溫度敏感性的控制

勝浦大橋全橋為鋼結構，鋼結構橋梁對溫度效應較敏感。受溫度影響，結構會產生較大的位移。以120 m跨徑孔成橋狀態為例，在降溫30℃的情況下，橋梁位移如圖9 所示。

由圖9可知，勝浦大橋成橋狀態下，整體降溫30℃的工況下，結構最大位移為43 mm。由此可見，勝浦大橋采用全橋鋼結構的形式，溫度引起的位移響應較大，對溫度引起的位移有效預測和控制至關重要。此外，溫度變化同樣影響了勝浦大橋的監控測量工作，選擇正確合理的測量時間是保證測量精度的重要條件。因此，勝浦大橋的監控測量工作擬選擇在氣溫穩定的清晨，同時通過計算分析，排除溫度荷載的影響。

圖9 勝浦大橋在溫度荷載下的位移響應

2.3 主橋結構變位監測

鋼箱拱肋、系梁采用事先預制，再逐段安裝的施工方法，其線形主要通過控制加工線形實現。

拱肋、系桿安裝到位后，后續施工對其線形會產生影響，通過全站儀和水準儀對拱肋、系桿截面的坐標在每一工況后進行測量，測點順橋向布置如圖10 所示（以120 m 跨徑為例），每拱肋在L/4、L/2、3L/4 和拱腳截面各設一個測點，橫橋向布置在拱肋中心線上。兩側系桿在L/4、L/2、3L/4 截面各設一個測點，橫橋向布置在系梁中心線上。

圖10 120 m 跨徑系桿拱橋位移測點布置（單位：mm）

根據上節分析可知，節段跨中處撓度較大，因此根據分結果補充測試截面（以120 m 跨徑為例），如圖11 所示。

圖11 120 m 左幅外側拱肋增設測試截面（單位：mm）

2.4 支架結構變位監測

為確保施工過程中臨時結構的穩定，應開展支架變位監測，如施工過程中土體出現不均勻沉降能夠及時發現預警。支架位移建議使用全站儀測量，測點布置如圖12 所示（以120 m 跨徑為例）。

圖12 120 m 跨徑支架位移測點布置（單位：mm）

2.5 應力監測

系桿在順橋向選擇拱腳、L/4、L/2、3L/4 截面作為應力控制監測，表面粘貼式應變傳感器監測系桿上、下緣應力。拱肋各選取拱腳、L/4、L/2、3L/4 截面安裝表面式傳感器。測點布置如圖13 所示。

圖13 120 m 跨徑系桿拱橋應力測點布置（單位：mm）

結合計算分析，針對跨徑較大的節段，增設應力測試截面，如圖14 所示。

圖14 120 m 跨徑系桿拱橋應力增設測試界面（單位：mm）

2.6 吊桿索力監測

吊桿索力的大小直接影響到主梁的線形和內力的分布情況。勝浦大橋主梁相對于主拱肋剛度較小，吊桿張拉力過大會使主梁變形過大，必須嚴格控制吊桿內力與設計相符。施工監控以主梁高程為輔助，吊桿索力為主，索力均勻無突變。吊桿索力采用索力動測儀或動態信號測試系統進行測試。

3 施工階段有限元分析

3.1 有限元模型建立

本次計算分析針對勝浦大橋主橋上部結構，主要依據橋梁施工圖設計文件，結合相關施工方案，進行橋梁結構承載能力極限狀態驗算、施工階段驗算及控制參數計算。全橋計算模型共有節點3 441個、單元7 126個，并按設計文件與施工方案劃分施工階段，計算模型如圖15 所示（以120 m 跨徑為例）。

圖15 勝浦大橋主橋結構計算模型（120 m）

主橋材料：Q355D，容重78.5 kN/m3，彈性模量2.06×108 kN/m2。

吊桿：柔性索型號為7-55、7-73 鍍鋅平行鋼絲，抗拉強度標準值1 670 MPa，彈性模量≥1.9×10 MPa。

3.2 施工階段有限元分析結果

根據施工方案，將橋梁施工階段在有限元模型簡化為8個施工階段，分別為系梁架設、安裝橫梁、安裝第一段拱肋、安裝第二段拱肋、拱肋合龍、安裝風撐、吊桿安裝并張拉、二期施工。

3.2.1 施工階段位移分析

8個施工階段位移分析如圖16（a）-圖16（h）所示。

圖16 勝浦大橋施工階段位移（120 m 跨徑）

3.2.2 施工階段應力分析

根據現有總體施工組織設計等文件模擬大橋施工過程。為保證鋼構件施工過程具備一定的安全儲備，參照JTG T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》中施工階段鋼構件容許應力的相關要求，取施工階段鋼結構應力容許值為0.75fy=0.75×270=202.5 MPa。施工階段結構應力包絡圖如圖17、圖18 所示。

圖17 勝浦大橋施工階段最大壓應力包絡圖（-79.2 MPa）

圖18 勝浦大橋施工階段最大拉應力包絡圖（99.4 MPa）

通過上述分析可知，施工階段結構應力最大為99.4 MPa，最小為-79.2 MPa，均滿足規范要求。為橋梁后期順利施工提供了理論技術支持。

4 結論

本文依托勝浦大橋的施工實例，通過橋梁特點分析、線形計算、內力控制，并結合有限元模型分析的方法，提出了一套系統的監控方法，為鋼箱系桿拱橋大節段拼裝的施工監控技術提供了完備的理論依據，確保了橋梁在施工過程中的結構相應處于設計允許的范圍內。主要得到以下幾點結論。

（1）本文通過有限元模型進行施工階段計算分析，提取了大節段吊裝系桿時，系桿處于簡支狀下的撓度，并以此預設施工預拱度，使得理論模型更加貼合實際，成橋線形更加準確。

（2）本文詳細分析了橋梁結構特點，針對施工過程中的重難點，有針對性地提出了相應的施工監控內容，如臨時支撐檢測、溫度檢測等，為鋼箱系桿拱橋的監控技術提供了新思路、新方法。

（3）通過施工全過程的跟蹤分析計算可知，橋梁結構最大拉應力、壓應力、撓度均在設計要求的范圍內，