斜靠式拱桥分幅偏心浮拖施工监控关键技术研究

王晓东 许慧荣

江苏省苏州市公路管理处 中设设计集团股份有限公司

关键词：斜靠式系杆拱桥;分幅偏心浮拖法;施工监控;非对称性结构;

自20世纪80年代，世界上第一座斜靠式拱桥巴克德罗达大桥(Bac de Roda Bridge)在西班牙建成以来，斜靠式拱桥便以其外形新颖美观、桥面开阔、富有曲线美感，已成为城市景观桥梁中颇具竞争力的结构形式。它是由两片竖向主拱与两片斜靠拱组合而成的空间受力结构。中间的主拱肋为桥梁的主要承重结构，主拱肋外侧各有一片向内倾斜的斜靠拱肋，承受部分非机动车与人群荷载，增强了结构的抗扭转和倾覆能力。斜靠式拱桥的主要特点是两片主拱肋之间不设横向联系，主拱与斜拱通过横向联系增强了结构的侧向刚度，在空间构成了一个稳定体系。

1 工程概况

云梨大桥主桥为下承式斜靠式系杆拱组合桥，主跨100m，引桥为跨径26m预应力混凝土连续箱梁，上部结构跨径为:2×(4×26)+100+3×(3×26)m，主拱肋与斜拱肋均采用全焊矩形钢结构，主拱圈采用2050×2000mm正方形断面，斜拱圈采用1450×1400mm矩形断面，主斜拱拱圈计算跨径均为98m，主拱拱圈矢高20m，矢跨比为1/4.9，斜拱拱圈矢高21.152m，矢跨比为1/4.63，拱轴线采用二次抛物线。主、斜拱圈在竖直面内夹角为19°。吊杆采用平行高强钢丝成品索，纵桥向间距均为3m，系杆采用填充型环氧涂层钢绞线，全桥共8束。钢梁由钢主系梁、边系梁、端横梁、中横梁、纵梁、挑梁组成。钢主系梁为箱型断面，宽2m，高2.5m，全桥共两根，中心线间距为25m，端横梁为箱型截面，其余横梁及全部纵梁均为工字型截面，全桥共99道横梁，384道纵梁。主桥正立面及侧立面布置如图1所示。

2 施工工艺

2.1 施工流程

云梨大桥施工采用半侧拱肋、系梁先岸上整体拼装后，浮拖至相应位置后，进行横梁与小纵梁安装施工方案，整个施工过程要经过支架上拼装、浮拖、横梁与纵梁安装、桥面铺装。主要的施工流程如图2所示。

2.2 浮拖法施工

云梨桥施工过程中，浮拖施工阶段尤为重要，在拱肋框架拼装完毕后，浮船支架、拖拉设备、落梁设施等经调试准备就绪后即可开始浮拖架设施工。(1)浮拖过程利用在河对岸的固定墩上设置的两台20t卷扬机，与连接在端横梁上的耳板相连，对滑移中的拱肋进行导向，拱肋后方的轨道上设置2台100吨千斤顶，在结构拖拉启动时，辅助克服结构与支架间的静摩擦力，如图3(a)所示。(2)在驳船缓慢移动至拱肋下方的第一组临时刚性支撑位置时，调整压舱水使船体上升，同时观察各刚性支撑点应力变化情况，在第二组刚性支撑即将脱离与滑移轨道面接触时停止排水。如图3(b)所示。(3)拱肋浮拖至靠近对岸时，驳船继续排水，使拱脚上浮约50mm，以便于落梁，驳船收紧对岸岸锚，缓慢向前移动，使拱脚支座垫板位于支座正上方，平面位置有超差时通过拼装侧千斤顶和驳船绞锚进行位置微调，确认平面位置正确后驳船压仓，使梁体缓慢降落，拱脚落于支座上方。如图3(c)所示。

图1 云梨大桥正立面及侧立面布置图/cm 下载原图

图2 浮拖法施工流程图 下载原图

3 施工监控关键点与控制措施

3.1 有限元模型

由于斜靠式系杆拱桥为复杂的空间结构体系，为分析施工阶段及成桥状态下结构的力学性能及变形数据，采用有限元软件Midas/Civil建立空间有限元模型对施工过程进行正装计算。根据以往经验，系杆、横梁、纵梁和拱肋采用梁单元模拟;吊杆只受拉力，采用桁架单元模拟;桥面板采用板壳单元模拟。如图4所示。

图3 浮拖法施工过程示意图 下载原图

3.2 线形控制

3.2.1 线形控制目的

(1)保证施工过程钢结构拼装精度满足设计与规范要求;(2)保证成桥后桥面线形满足设计与规范要求。

3.2.2 线形控制难点:

(1)由于单侧结构横向为非对称结构，斜吊索初张拉力产生水平分力TX，且系杆拱系梁刚度较小，尤其是横桥向抗弯刚度，如图5，易产生横向较大的变形，如果控制不到位，将给后续横梁拼装带来的困难。

图4 桥梁结构计算模型 下载原图

图5 斜索张拉系梁变形分析示意图 下载原图

(2)主拱与斜拱刚度不一致，而支架形式一样，导致斜拱与主拱在拼装过程中，竖向变形与横向变形不一致，如:根据计算结果分析安装第三段拱肋时，由于斜拱截面刚度相对于主拱肋较小，因此斜拱肋安装时拱顶竖向位移相对较大，数值为7.3mm(↓)，横向位移为8mm(向主拱肋方向)，如图6。

图6 拱肋安装阶段拱肋变形图 下载原图

3.2.3 控制措施:

(1)通过仿真分析，预测钢结构在拼装过程中变形。(2)预制与拼装过程中对钢构件设置反向变形。(3)拱肋与系杆变形对索力较为敏感，因此控制索力有利于线形控制。

系梁横向线形控制:根据设计要求对单侧拱肋进行计算，如图7，主系梁横向变形为45mm，(如考虑两侧变形，两侧相对变形达90mm，如不进行控制，后期横梁安装将带来困难。)根据计算结果，主系杆拼装时，系杆横向坐标应进行预偏。后期系杆横向坐标预偏与吊杆初始张力密切相关，即本阶段索力初始值控制为重点。

拱肋线形控制:(1)仿真分析考虑拱肋安装于支架、拱肋间焊接、支架落架、索力张拉等施工阶段，分析各阶段拱肋变形;(2)根据仿真计算的结果，对拱肋安装时进行预拱度设置。

图7 斜吊索按设计初拉力张拉后系梁横向变形 下载原图

3.3 施工过程安全控制

3.3.1 主要控制目的

(1)保证施工过程临时结构强度、稳定满足要求;(2)保证桥梁主体结构强度、稳定性满足设计要求;(3)保证桥梁结构落梁时一次性成功到位。

3.3.2 安全控制难点:

(1)由于单侧拱肋横向为非对称结构，作用于拖船支架上的两支撑点反力不平衡，拖船支点处发生竖向位移不一致，如图8，必然导致单侧拱肋整体绕桥梁纵向轴线发生扭转。结构内部(桥梁结构+临时结构)为超静定结构，结构发生扭转导致构件产生附加应力;(2)拖船支撑支架直接作用于船体龙骨上，由于支撑支点局部应力较大，需要对拖船支撑体系进行局部加固，改善其受力，如图9。(3)浮拖过程中，由于水流等外力作用，主梁(船体)水平位移不可避免，需将水平位移控制在允许范围内。

图8 拖船支架与主梁两支撑点示意图 下载原图

3.3.3 控制措施:

针对安全控制难点1采用以下控制措施:

步骤1，对控制结构进行理论分析，分析主梁上船后梁端支点相对变形差。船体模拟为刚体，如图10桥梁、支架及船体整体计算模型。图11为主梁结构刚作用于船体时产生的浮船两前支点相对变形差，两支点不平衡荷载随着浮船的前进将会增大，因而两变形差易继续扩大。

图9 拖船与支架构造示意图 下载原图

步骤2:对船支点施加强迫位移差，当临时结构与桥梁主体结构任意构件达到设计强度时，支点强迫位移差即为控制值。根据计算结果，如图12，单侧拱肋前端支点位移差为35mm时，浮拖桥梁结构(包括临时结构)，由于临时支撑结构的约束，最大应力发生在边系梁与前端临时支撑的结合部位，最大应力为199MPa，接近结构设计强度，为安全起见，过程监控设置25mm为预警值。

图1 0 桥梁、支架及船体整体计算模型 下载原图

图1 1 梁体刚上船时支架支点竖向变形 下载原图

图1 2 前端两侧支点变形不一致应力云图 下载原图

步骤3:现场实测控制。梁端上船后，对前端支点高差进行动态跟踪，(随着浮船前行，在较大位移侧储水仓进行动态排水，尽量控制两支点水平)。实际测试结果最大差值为9mm，小于25mm的预警值，达到预期监控要求。

针对安全控制难点2采用以下控制措施:

根据计算，对支撑钢管周围增加加劲钢板，在船底龙骨上铺设工字钢梁进行应力扩散，如图13，以保证支撑结构稳定性，局部受力计算结果，如图14，应力最大为139MPa，小于210MPa，满足要求。

图1 3 支撑钢管周围设钢板加劲图 下载原图

图1 4 支撑钢管与船体龙骨局部受力计算结果 下载原图

针对安全控制难点3采用以下控制措施:

由于多种因素可能使结构左右偏位，施工中应实时观测，及时发现和纠偏，确保结构的轴线位置正确，以便最后精准落梁。中线偏位测点布置在桁架中线，采用水准仪观测钢尺水平位移变化。根据经验主梁前端位移控制在±20cm以内。图15为浮拖工程中水平控制成果。

图1 5 浮拖过程中水平位移控制曲线 下载原图

4 施工监控结果

4.1 线形监控结果

斜靠式系杆拱桥为超静定结构，采用的是岸边预制、浮拖架设的施工方法。施工过程中，结构的拱肋、系梁、索力与变形相互影响，同时又受温度和施工随机因素的影响，因此，为保证本桥线形符合设计要求，必须在施工过程中对拱肋及系杆线形进行控制，使得其线形与设计的偏差在规范允许范围内。图16为主桥沥青铺装后系杆顶面标高监测值与理论值的对比曲线。

图1 6 系杆顶面标高监控分析 下载原图

从系杆顶面标高监测值与理论值对比中可以看出，在整个施工过程中，监测值与理论值有一定偏差，但偏差并不大，曲线整体变化规律一致，说明总体施工方案合理，施工过程安全可靠。

4.2 索力监控分析

索力是非常重要的控制因素。而控制索力的一个关键是控制吊杆的张拉力。作为校核拉索张拉力的重要手段之一，在每张拉完一根吊杆之后，必须对当前索和其余吊杆进行索力测试，以控制拉索索力的精度。成桥后左右两侧吊杆索力数据见图17。

图1 7 成桥后吊杆索力对比 下载原图

从吊杆索力监测值与理论计算值对比中可以看出，总体偏差符合设计要求，吊杆索力监控达到预期要求。

4.3 应力监控分析

拱肋在拼装及浮拖过程中，结构体系不断变化，拱内受力复杂，为保证施工时桥梁的安全，同时也为了与设计理论值相比较，验证结构的合理性及设计的可靠性，须对该桥控制断面应力进行施工监测。

监测显示云梨桥主桥各断面应力实测值均在规范允许值范围内，实测应力值与理论应力值较为接近，且走向趋势相同，未出现拉应力。

5 结语

(1)建立有限元模型对系杆拱结构施工过程进行仿真计算，对拱肋、系杆等设置预变位以控制结构加工、安装精度，保证施工前后结构应力、变形满足设计及规范要求。

(2)对临时结构安全性进行计算分析，并根据计算结果采取有效加强措施，控制结构强度与稳定性满足规范要求。

(3)对分幅浮拖非对称性结构，应充分认识其非对称性对拖船产生的不平衡力与位移，导致结构扭转产生附加应力与位移等影响，应提出主、副系杆在拖船支撑处两支点相对竖向位移差预警值，通过跟踪监测及时调整拖船内分隔仓水位来控制位移差，保证结构强度与稳定性满足设计与规范要求。

(4)对浮拖过程水平偏位进行动态监控、纠偏，保证了浮拖顺利进行，提高一次落梁精度及成功率。

参考文献

[1] 肖汝城，孙海涛，贾丽君，等．斜靠式拱桥．上海公路，2004(4):22-26．

[2] 周伟．斜靠式拱桥有限元静力分析．长沙:长沙理工大学，2012．

[3] 刘强华．大跨度、大重量斜靠式系杆拱桥浮拖法施工技术研究．铁道建筑技术，2016(2):5-8．

[4] 肖汝诚，孙海涛，贾丽君，孙斌．昆山玉峰大桥-首座大跨度无推力斜靠式拱桥的设计研究．土木工程学 ，2005(1):78-83.