三跨中承式鋼箱系桿拱橋力學計算分析與施工控制

【中圖分類號】：U445 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2025）02-29-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.007

Measurement Control for Construction of Three-span Center-bearing Steel Box Tie Arch Bridge

WANGXin1，ZHAO Xu1，LIUPengxi1，YANChuan2

（1.China ConstructionSithEngnineeringDivisionCo.Ltd.，ianjin3O71，China；2.CentralResearchInstituteofBuildingand Construction Co.Ltd.，Beijing 100082，China）

【Abstract】 ∵ Taking a three-span medium-bearing steel box-tie arch bridge with a span arrangement of 30 m+130 m+30 m as an example，the stress state and key technology of construction control of the three-span medium-bearing steel box-tiearch bridge isanalyzedand researched from various perspectives，such as the establishmentof thefinite element model，structural analysisof thekeyparts，calculation of the structural prearchedness，and line control，etc.The measurement methods of the corresponding parameters are put forward，and the construction of the bridge is monitored and analyzed with comparison with theon-site measurement data.The whole process control method was used to monitor the construction of the bridge，and compared and analyzed with the on-site measured data，and the results showed that the force state and line shape of the bridge during construction and after completion of the bridge were the sameas the control target.

【Key words】：construction measurement；tie-arch bridge ；center-supported steel box arch bridg

拱橋作為世界上最常用且歷史悠久的一種橋梁結構，以跨越能力強、耐久性好、外形美觀、養護及維修費用小等特點，受到橋梁設計師的青睞＼～3]。由于水平推力較大，拱座對地基要求較高。系桿拱橋是一種由拱肋、系桿（梁）、吊桿等組成的組合結構體系，能充分發揮拱受壓、梁受彎的結構性能，拱端產生的水平推力由系桿承受，大幅降低拱端支座的水平推力，有效提升橋梁結構整體承載能力；但其結構體系較為復雜，在施工過程中結構線形和內力狀態不斷變化，施工難度大，對大跨度拱橋受力狀態的計算及施工測量控制尤為重要。本文以某三跨中承式鋼箱系桿拱橋為例，建立全橋空間有限元模型，分析各施工階段關鍵部位力學特性，探討其全過程施工測量控制關鍵技術，以供類似工程施工參考。

1工程概況

某橋為三跨中承式鋼箱系桿拱橋，跨徑布置為30m+130m+30m ，全橋寬 38.5m 。采用中承式雙肋懸鏈線無鉸拱，計算跨徑 130m ，矢高 35m ，矢跨比1/3.714，拱軸系數 m=1.756，k=1.163 。主拱肋為鋼混混合拱肋，橋面以上拱肋為鋼結構，采用Q345qE鋼材，橋面以下拱肋為C50混凝土結構。主梁為三跨連續梁結構，采用鋼箱梁， Q345qE 鋼材，主梁標準段高2.2m 。全橋吊桿共13對，間距 7.5m ，分為懸吊主橋箱梁的吊桿（主吊桿）和懸吊人行步道的吊桿（副吊桿）。見圖1。

2結構分析

采用全過程控制法和無應力狀態法進行施工控制[4-5]。以拱圈及主梁線形為主控內容，輔助控制吊桿索力，以主梁及拱肋應力監控為預警，建立全橋有限元模型，橋梁關鍵結構部分力學性能進行分析計算并求出橋梁的施工期線形和最終成橋線形

2.1有限元模型

根據設計圖紙建立全橋總體結構數值分析模型，進行正裝分析，得到各施工階段拱肋及主梁的應力及形狀態。計算模型中主梁、拱采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。全橋共劃分為1524個節點，50個桁架單元（模擬吊桿），1934個梁單元（模擬主梁和塔段）。見圖2和表1。

采用先梁后拱的施工方式，主要施工流程：澆筑拱腳、安裝主梁 arrow 安裝鋼拱肋 arrow 拆除拱肋支架 arrow 系桿與吊桿穿插交替張拉 arrow 主梁落架 arrow 最后一次張拉系桿 arrow 二期鋪裝 arrow 調整吊桿索力。對結構進行全過程施工模擬計算，包括：各施工階段鋼結構及混凝土的應力、結構撓度；吊桿安裝后各施工階段索力值；橋面鋪裝完成后的應力和結構撓度（線形）。

根據橋梁施工順序，在有限元模型中劃分28個施工階段，從樁基、承臺施工至最終完成10a收縮徐變。見表2。

2.2關鍵部位結構分析

2.2.1主拱肋

對成橋階段的主要組合應力狀態下主拱應力進行分析。見圖3。

根據有限元模型分析拱肋特征截面在各個施工階段的應力值，在此僅列出在施工過程中鋼拱肋跨中截面應力值以及鋼混結合段截面應力值的變化情況。見圖4。

在主梁鋪裝時鋼混結合段拱肋的截面應力值最大，為 72.6MPalt;313.64MPa ，滿足設計要求。

2.2.2吊桿

吊桿是中承式系桿拱橋重要的傳力構件，將主梁承擔的荷載均勻傳遞給拱肋。主吊桿采用工藝成熟的環氧噴涂鋼絲拉索體系，鋼絲標準強度為1670 。每根邊吊桿由121根 環氧噴涂高強鋼絲組成，中間吊桿由85根 環氧噴涂高強鋼絲組成，高強低松弛鍍鋅鋼絲彈性模量取 1.95×105MPa 。主吊桿成橋階段吊桿索力最大，為1401.8kN ，吊桿最小安全系數 5.55gt;2.5 ，吊桿強度滿足設計要求。見圖5。

由于該橋邊吊桿和中間吊桿結構不同，故圖6列出在成橋階段13組主吊桿索力計算值與設計值，各吊桿最小安全系數均 gt;2.5 ，計算值與設計值吻合度較高，驗證了先梁后拱施工工藝的準確性。

2.3預拱度計算

預拱度是為抵消梁、拱在荷載作用下產生撓度而在施工時預留的與位移方向相反的校正量，根據預拱度值可計算出施工期及最終成橋線形。預拱度主要分為設計預拱度和施工預拱度，設計預拱度是橋梁在正常運營過程中受力安全的基本保證，施工預拱度是成橋線形控制的關鍵。其中成橋后的設計線形 應按無應力狀態考慮。

式中：δ為預拱度 為恒載產生的撓度值 為活載產生的撓度值 為10a收縮徐變產生的撓度值； 為成橋后的設計線形； 為施工期線形； 為最終成橋線形。

根據式（1）并結合有限元軟件midasCivil模擬各施工階段，計算得到拱肋、主梁的施工期線形和最終成橋線形。見圖7。

圖7 拱肋、主梁的橈度及預拱度

施工期總預拱度為各點在施工過程中撓度累積值與設計預拱度之和，均在跨中達到最大；但對于拱肋來說，跨中位置預拱度相對平緩，而主梁預拱度則在跨中變化較大，主要是因為拱肋成橋線形呈明顯“M\"形，在跨中一定區域有下降趨勢，其余控制節點基本按照線形變化控制。

3線形監測

橋梁線形控制的目的是確保拱肋和主梁在施工完成后線形符合設計要求，其最主要的依據是拱肋及橋面撓度測量數據，在測量時需合理布置測點，確保可以將局部和全線結合起來，每完成一個節段后需對標高和水平偏位情況進行一次測量，尤其是在橋梁拱肋與主梁合龍之前，應以線形控制為主。

3.1鋼主梁線形

鋼主梁線形控制的重點是豎向位移，本文僅列出主要工況結束后的監測數據，包括：鋼主梁拼裝完成后頂板高程、鋼主梁落架后頂板高程、橋面鋪裝完成后鋼主梁頂板高程。見圖8。

以右側點為例，主梁各施工階段頂板高程對比見圖9。

隨著施工的進行，鋼主梁橋面標高逐漸向設計標高逼近，在鋼梁落架前后橋面標高變化最大，鋼梁落架后隨著橋面鋪裝的施工，實測高程逐漸向設計高程靠攏，線形誤差均控制在 以內，滿足規范要求，說明本文提出的主梁預拱度計算方法可行、準確。

3.2鋼拱肋線形

對鋼拱肋安裝標高進行監測，監測斷面共計10個（每個鋼拱肋各5個），每個斷面測量點3個。見圖10。

主要監測工況為鋼拱肋拼裝結束后、鋼拱肋拆除支架后、主梁落架后。見表3。

鋼拱肋拼裝完成至最終鋼主梁拆除支架后，拱肋高程逐漸向設計高程靠攏，但略高于設計高程，主要是因為考慮了后期混凝土拱肋的收縮徐變效應及部分活載的效應。

4吊桿索力測量

吊桿是中承式系桿拱橋重要的傳力構件，將主梁承擔的荷載均勻傳遞給拱肋。受張拉設備精度、臨時荷載、環境溫度等因素的影響，吊桿索力會與理論控制值產生偏差，進而影響鋼主梁和拱肋的內力分布，尤其是在合龍后二期鋪裝及附屬結構施工時，吊桿索力對橋梁內力影響更大，因此在施工過程中必須對吊桿索力進行測量和控制。

吊桿索力監控采用振動頻率法，同時利用張拉設備中的高精度油壓表及吊桿張拉拔出量進行校核。測試時將傳感器安裝在吊桿上，利用環境隨機振動作為結構物激振的振源，拾取吊桿在環境激勵下的振動信號，經過濾波、放大和譜分析。

式中： T 為吊桿的張拉力 為第 n 階吊桿的自振頻率； n 為吊桿的振動階數； L 為吊桿的計算長度； m 為單位吊桿的重量； g 為重力加速度。

吊桿索力實測值與理論計算索力值基本吻合，誤差在 5% 以內，滿足設計要求。見圖11。

5結語

中承式系桿拱橋主拱設計拱軸線是計算確定的，特殊的拱式結構使得橋梁在運行過程中受力更加合理；但由于施工過程中各種誤差的影響，可能會導致實際拱軸線偏離設計拱軸線，使得結構實際受力狀態與理論狀態存在差異，結構的受力變得復雜，嚴重時甚至危及結構安全。本文以一座三跨中承式鋼箱系桿拱橋為例，詳細分析了此類橋梁施工控制過程中的重點及難點，尤其是對主梁、拱肋的結構分析計算，并提出預拱度的計算方法及相應參數的測量方式，同時采用全過程控制法對該橋進行施工監控，最終確保該橋的安全性和可靠性滿足設計要求。

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