大跨徑系桿拱橋大節段安裝過程內力及變形分析

袁 普

（中交三公局第六工程有限公司,河北 石家莊 050000）

0 引言

鋼箱梁系桿拱橋具有跨越能力大、施工效率高、結構自重輕、水平推力小等優點，是在國內得到廣泛采用的一類橋梁結構形式。鋼箱梁系桿拱橋大多將系桿及拱肋劃分為多個節段，在鋼結構工廠內預制成型后運至現場，隨后采用纜索吊裝、懸臂拼裝的方式，將系梁以及拱肋節段安裝成型。對于采用系梁及拱肋大節段的系桿拱橋，在拱橋施工過程中，結構的受力與變形特性較為復雜，為了保證施工安全性和成橋精度，需要對施工過程中結構的受力狀態和變形展開研究。

國內學者針對大跨徑系桿拱橋施工控制這一方面，展開了較為充分的研究[1-2]。李明[3]等結合施工實例對大節段鋼拱肋吊裝的施工工序進行了研究，結果表明，大節段鋼拱肋吊裝過程中的內力和線形均能控制在合理范圍內；孫海鵬[4]針對一種雙跨下承式系桿拱橋的大節段拼裝施工監控技術提出一套系統的監控方法，并結合有限元分析軟件進行詳細計算，同樣驗證了大節段鋼拱肋吊裝過程中的內力和線形均能控制在合理范圍內；王建勛[5]等討論了大跨度鋼桁架拱橋先拱后梁施工方法的可行性，并結合工程實際建立了有限元軟件計算模型，分析了大節段在施工過程中的安全性與可行性，驗證了結構在施工過程中具有良好的強度和剛度，結構的安全性與穩定性均能滿足相關規范要求。

針對鋼箱系桿拱橋在支架斜交布置條件下，采用大節段吊裝施工的相關研究較少。為了探討在斜交支架布置情況下，采用大節段按照過程中的受力性能，以清水河大橋為依托開展相關研究分析。

1 工程概述

1.1 橋梁結構特點

清水河大橋主橋采用178 m+85 m 兩跨簡支鋼箱下承式系桿拱橋，橋面全寬24.25 m。178 m 跨徑主跨通過系梁平衡拱腳推力形成整體無水平推力結構。主跨采用全鋼的結構形式，主跨拱肋以及系梁均采用鋼箱梁，橋面系梁采用正交異性鋼橋面板，整體結構自重較輕，主跨軸線與河道線斜交。

主橋跨徑為178 m，拱圈軸線采用二次拋物線，矢跨比為1 ∶4。主跨主拱圈由兩片拱肋組成，其所在平面與水平面正交。主拱拱肋采用單箱單室鋼箱梁，鋼箱高2.6 m，寬2 m，主拱拱肋之間設六道“一”字形風撐；系梁采用單箱單室鋼箱梁截面，梁高2.6 m，寬2 m。主橋共設置27 對吊桿，吊桿采用熱擠壓鋼絞線成品索，拱端采用錨箱式錨固，梁端采用叉耳式錨固。

1.2 施工工藝流程

清水河大橋主跨按照先梁后拱的施工順序，利用浮吊進行系梁以及拱肋大節段的吊裝工作。主要施工工序介紹如下：

（1）水中臨時施工支架與鋼管式防撞墩施工。考慮通航需要，施工支架沿橋梁橫向的布置方向與橋梁軸線斜交，并與航道線方向一致。

（2）采用500 t 浮吊船將系梁進行大節段吊裝，并安裝部分橫梁及橋面板使得兩側系梁形成整體，如圖1（a）所示。

圖1 主要施工過程（mm）

（3）將系梁支架進行接高，形成拱肋支架，利用500 t 浮吊船依次吊裝部分鋼拱肋節段以及相應風撐，如圖1（b）所示。

（4）拆除拱肋鋼管支架，對稱安裝吊桿并進行第一次張拉，接著拆除系梁支架，形成主結構體系。

（5）利用汽車吊從兩側拱腳依次向跨中完成剩余橋面板安裝，進行吊桿力調整，并完成橋面鋪裝及附屬結構施工。

1.3 施工特點與控制難點

為了提高安裝效率，降低對河道的影響，清水河大橋采用大節段吊裝進行安裝，節段長度及吊重見表1。拱肋節段最大長度57.35 m，最大節段質量141.3 t；系梁節段最大長度52.52 m，最大質量152.8 t。主要預制大節段的跨徑和質量，遠大于常規的拱肋節段與系梁節段，如表1 所示。

表1 節段尺寸與質量統計表

吊裝節段的長度和質量遠超過常規的鋼箱梁節段。大節段安裝的過程中，節段在自重作用下會在節段的中間位置產生較大的撓度，這會大大增加結構線形控制難度。節段支架吊裝之后，焊接拼裝之前，節段中會產生較大的初始正應力與剪應力。而這樣的初始應力會導致橋梁在施工過程中以及運營后的內力較大，大大增加橋梁內力控制的難度。

2 數值計算模型

該次支架結構驗算采用商業軟件Midas Civil 進行計算。考慮支架結構的承載特點，在計算時將橋面板體系以外的構件均進行建模，同時將永久結構和臨時結構進行建模，按照實際支撐方式考慮荷載傳遞路徑，模型圖如圖2 所示。

圖2 支架結構計算模型示意圖

模型采用梁單元模擬拱肋和系梁，采用桁架單元模擬吊桿，采用板單元模擬橋面板。全橋共有3 265 個梁單元，668 個板單元，54 個桁架單元。通過調整單元自重系數來考慮實際結構中的系梁、拱肋以及橋面板的重量，采用一般支撐模擬施工過程中的臨時支撐。

為了準確地分析系桿拱橋各施工階段構件受力性能和安全性，按照實際施工過程進行了詳細地模擬，共分為45 個施工階段，這些施工階段包含安裝單元、拆除單元、施加約束、解除約束、施加荷載等工況。

3 大節段安裝結構變形及受力性能分析

3.1 大節段安裝結構變形計算分析

采用大節段吊裝的過程中，由于節段長度較大，支撐在臨時墩上，節段會出現較大的撓度變形。為了確保清水河大橋的成橋線形滿足設計要求，過程中橫梁安裝順利，對清水河大橋在安裝過程中的結構變形進行了分析，系梁以及拱肋合龍后，結構變形示意圖如圖3 所示。

圖3 結構變形示意圖

系梁合龍后結構出現的最大豎向變形為34.9 mm，出現在系梁大節段跨中位置，最大變形為構件長度的L/1 499，拱肋合龍后結構出現的最大豎向變形為42.7 mm，出現在系梁大節段跨中位置，最大變形為構件長度的L/1 205，從變形與節段長度的比例開看，構件具有良好的剛度。但由于左右側支架采用與橋梁斜交布置，左右系梁的變形不一致，最大撓度位置不同，對鋼橫梁的安裝對位帶來一定影響。為了應對這種變形不一致，左右側系梁應該設置不同的加工預拱度，確保其按照后在自重作用下兩側系梁的高程相同，滿足鋼橫梁安裝的要求。左右側系梁的合理加工預拱度如圖4 所示。

圖4 系梁施工預拱度示意圖

3.2 大節段安裝應力計算分析

計算結果表明，采用大節段安裝過程中，鋼系梁、鋼拱肋及支架在施工過程中出現的最大應力如圖5 所示。可以看到，系梁合龍后結構出現的最大正應力為53.2 MPa，最大正應力出現在系梁臨時支點之間的跨中位置。在拱肋合龍后，支架結構出現最大應力，支架的最大正應力為74.7 MPa，最大正應力出現在靠梁端側主拱圈拱肋節段的臨時支點位置。由于系桿拱橋的結構自重相對較小，因此在施工過程中鋼系梁、拱肋、支架的正應力均相對較小，滿足施工過程中臨時狀態下結構安全控制的要求。

圖5 施工過程鋼結構及支架最大正應力示意圖

在采用大節段吊裝施工過程中，鋼結構及支架的最大剪應力出現在拱肋安裝完成后。拱肋合龍后結構出現的最大剪應力為18.3 MPa，最大應力出現在拱肋臨時支撐位置。系梁以及拱肋大節段安裝，初始剪應力相對較小。

參照《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）中對于鋼構件容許抗剪強度以及抗彎強度的相關要求，取施工階段鋼結構正應力設計強度為fd=270 MPa，剪應力的容許值為fvd=150 MPa。可以看到在施工過程中鋼結構的應力水平均較低，都可滿足強度驗算的要求。同時計算結果表明，鋼結構在成橋運營階段，基本荷載組合對應的最大剪應力為12.9 MPa，最大正應力為81.7 MPa，在運營階段具有良好的承載能力，采用大節段施工不會引起結構在成橋狀態時受力狀態有過大變化。

4 結論

結合清水河大橋的施工方案，對大跨徑鋼結構系桿拱橋采用大節段吊裝施工過程中的結構受力性能進行了分析，得出以下主要結論：

（1）施工過程中系梁、拱肋的變形均小于臨時跨徑的L/500，整體結構具有良好的剛度。結構自身剛度滿足大節段吊裝施工的要求。

（2）由于左、右系梁臨時墩布置不對稱，系梁結構的變形具有明顯的不對稱性，需要設置不同的加工預拱度，確保安裝后左右系梁高程對應，滿足橫梁安裝的要求。

（3）在采用大節段安裝過程中，系梁以及主拱圈合龍后，整體結構的正應力最大為53.2 MPa，最大剪應力為18.3 MPa，應力水平均較低，滿足結構施工過程的受力要求。支架結構的應力狀態處于合理水平，能夠為鋼結構安裝提供可靠的支撐。

（4）利用大噸位浮吊，采用大節段吊裝法進行鋼箱拱橋系梁和拱肋安裝是一種合理可行的施工方法，施工過程結構受力狀態良好，不會對成橋受力狀態帶來太大影響。