楊 光，劉學(xué)紅

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京市 100027;2.中國(guó)中鐵股份有限公司東方國(guó)際建設(shè)分公司，北京市 100000）

0 引言

近年來，隨著對(duì)橋梁建筑美學(xué)的高度重視以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在越來越多基于全新的設(shè)計(jì)理念和新的施工工藝的新型橋梁應(yīng)運(yùn)而生，其中大跨度外傾非對(duì)稱式系桿拱橋，結(jié)構(gòu)新穎，造型獨(dú)特，兼具城市景觀效應(yīng)，因此逐步得到應(yīng)用[1]。由于大跨度外傾非對(duì)稱式系桿拱橋結(jié)構(gòu)較一般類型的拱橋在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力上更為復(fù)雜，成都市紅星路南延線跨府河橋采用滿堂支架法施工，拼裝精度要求高，尤其是后期體系轉(zhuǎn)換過程中拆除鋼箱拱和鋼梁支架是非常重要的施工步驟，根據(jù)該橋的施工特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，制定合理的監(jiān)控方案，對(duì)施工過程進(jìn)行有效合理的監(jiān)控，確保大橋的建設(shè)順利進(jìn)行和完工，為新型結(jié)構(gòu)橋梁的施工監(jiān)測(cè)提供指導(dǎo)幫助。

1 工程概況

紅星路南延線跨府河橋梁工程采用主跨150 m跨徑曲線梁非對(duì)稱外傾拱橋（非對(duì)稱肋拱橋）。大橋采用44 m+150 m+55 m的孔跨布置，全橋總長(zhǎng)249 m，如圖1所示。主跨位于曲線半徑為R=600 m圓曲線內(nèi)，兩側(cè)邊跨分別位于緩和曲線上，橋梁軸線與府河主航道流向斜交46°。

圖1紅星路南延線跨府河橋橋型總體布置圖(單位：cm)

主跨南北兩條獨(dú)自向外傾斜的鋼箱拱肋，位于各自的傾斜平面內(nèi)，北側(cè)拱肋向外傾斜30°，南側(cè)拱肋向外傾斜18°，拱肋由混凝土拱腳段和鋼箱拱肋段組成，兩條拱肋交于橋梁主墩承臺(tái)。鋼梁采用雙縱箱+格子梁結(jié)構(gòu)形式，為三跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)，在兩岸橋臺(tái)位置設(shè)置伸縮縫，兩拱肋間沒有任何橫向聯(lián)系，拱肋通過斜向吊桿與橋面鋼箱梁相連。

2 施工方案

主橋的施工過程主要包括基礎(chǔ)施工及鋼箱拱肋吊裝、鋼梁拼裝、臨時(shí)對(duì)拉索的張拉和拆除、鋼箱拱支架和鋼梁支架拆除、吊桿和系桿的安裝及張拉和二期恒載橋面鋪裝等，主要施工步驟如圖2所示。

具體施工過程為：

（1）下部結(jié)構(gòu)樁基承臺(tái)施工，橋臺(tái)施工、主墩和混凝土拱肋施工；

（2）全橋范圍內(nèi)搭設(shè)梁底臨時(shí)支架，兼作鋼梁的運(yùn)輸通道、塊段連接、線形調(diào)整的臨時(shí)支撐作用；

圖2 府河橋主要施工流程圖

（3）鋼梁節(jié)段縱向分段橫向分塊，通過運(yùn)梁小車完成塊件的場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸。鋼梁塊段在支架上通過千斤頂完成線形調(diào)整，并且用臨時(shí)匹配件固定，分區(qū)分批連接鋼梁塊段；

（4）拱節(jié)段在存件場(chǎng)地通過龍門吊完成第一次姿態(tài)調(diào)整，運(yùn)輸?shù)綏蛏舷鄳?yīng)位置后通過履帶吊式吊車完成第二次姿態(tài)調(diào)整，通過吊車完成豎直運(yùn)輸，將拱節(jié)段安裝到支架上，最后通過支架上的千斤頂進(jìn)行第三次姿態(tài)調(diào)整，使鋼拱節(jié)段精確到位。拱肋節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)連接后，在南北拱頂部起吊用吊耳之間安裝和張拉橫向?qū)?。安裝臨時(shí)系桿，拆除拱臨時(shí)支架，為鋼梁兩側(cè)塊段安裝留出空間；

（5）體系轉(zhuǎn)換過程，安裝吊桿、系桿、縱向水平彈性索（一端錨固于墩臺(tái)，另一端錨固于梁體上，用于約束鋼梁縱向位移，防止鋼梁的縱向走位），分批次進(jìn)行張拉，拆除兩拱肋間臨時(shí)橫向?qū)鞯龋?/p>

（6）最后實(shí)施橋面鋪裝、欄桿安裝等附屬工程。

3 施工控制

3.1 計(jì)算分析

成都市紅星路跨府河橋梁施工過程模型的建立采用有限元軟件Midas/Civil 2012，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的施工步驟進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真模擬，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的線形、內(nèi)力和應(yīng)力分階段進(jìn)行計(jì)算和分析。有限元模型中混凝土拱和鋼箱拱采用梁?jiǎn)卧M、鋼梁采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M、吊桿和系桿及彈性索采用桁架單元模擬。全橋建模共有8 556個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 404個(gè)單元，其中桁架單元8個(gè)，只受拉單元102個(gè)，梁?jiǎn)卧? 075個(gè)，板單元2 971個(gè)，實(shí)體單元248個(gè)。全橋有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型圖

該橋的施工控制計(jì)算主要分為兩個(gè)階段，包括施工控制前的核對(duì)計(jì)算分析和施工控制過程中的計(jì)算分析[3]。

施工控制前的核對(duì)計(jì)算分析：依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際的施工過程，建立全橋有限元仿真計(jì)算模型。第三方施工控制的計(jì)算分析結(jié)果必須與設(shè)計(jì)單位的計(jì)算分析結(jié)果相互校核，如果兩者偏差比較大，則應(yīng)該找出存在偏差的原因；如果兩者吻合較好，則所建立的有限元模型可以用于實(shí)際施工控制。

施工控制過程中的計(jì)算分析：初期建立的有限元模型所選取的計(jì)算參數(shù)往往與實(shí)際的施工過程存在一定的偏差，計(jì)算模型不可能完全與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合，這就需要在施工過程中對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行不斷地修正，使得計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果較一致，以更好的對(duì)后續(xù)施工進(jìn)行有效合理地控制[5]。

3.2 施工控制內(nèi)容

3.2.1 溫度監(jiān)測(cè)

溫度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響復(fù)雜，通過環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)，把溫度參數(shù)考慮到模型中，及時(shí)地調(diào)整結(jié)構(gòu)的受力情況，必要的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)是不可或缺的。在該橋中，鋼結(jié)構(gòu)表面采用表面式傳感器，混凝土內(nèi)部則采用埋入式傳感器。測(cè)點(diǎn)布置的原則為測(cè)試結(jié)構(gòu)的整體升降溫差和非均勻升降溫差，測(cè)點(diǎn)的布置可選擇具有代表性的構(gòu)件截面。

3.2.2 線形監(jiān)測(cè)

采用全站儀對(duì)橋梁的線形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鋼箱拱肋位移監(jiān)測(cè)：每一節(jié)段端口處為線形測(cè)試截面，各個(gè)測(cè)試截面位置處共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，即頂板、底板、南腹板和北腹板端口中點(diǎn)處各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，立面布置如圖4和圖5所示。

鋼梁線形監(jiān)測(cè)：每一段鋼梁布置兩排測(cè)點(diǎn)由T1到T5（T6到T9為對(duì)稱位置）分別為橫梁與次邊縱梁、主縱梁、次中縱梁、斜腹板線F2和直腹板線F1的交點(diǎn)處，測(cè)點(diǎn)位于鋼梁頂板的上表面處，平面布置如圖6所示。

圖4 鋼箱拱線形測(cè)點(diǎn)截面布置圖（單位：m）

圖5 拱肋線形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)位置圖

圖6 鋼梁線形測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了解曲線梁受力情況，全橋共選取7個(gè)截面，分別為44 m邊跨跨中截面、P1墩頂截面、主跨1/4截面、跨中截面、P2墩頂截面和55 m邊跨跨中截面，如圖7和圖8所示。

圖7 全橋鋼梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)縱截面布置示意圖

圖8 鋼梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)橫截面布置示意圖

主拱應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面的選取和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)該充分考慮以下各方面因素[2、8]：混凝土拱肋受力，鋼箱拱肋受力，混凝土拱肋過渡到鋼箱拱肋段受力，理論計(jì)算控制截面，考慮到由于橋梁位于曲線段上對(duì)內(nèi)外拱肋不平衡受力的影響，由于拱肋外傾引起的非對(duì)稱彎曲的影響，施工監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)后期為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)所使用?？紤]以上各個(gè)因素，應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面共選取11個(gè)截面，如圖9和圖10所示。

圖9 全橋鋼箱拱應(yīng)力測(cè)點(diǎn)截面布置示意圖（單位：cm）

圖10 拱肋應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)截面布置示意圖

全橋施工過程中，需要分階段對(duì)各截面的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)力監(jiān)控流程如圖11所示。

圖11 應(yīng)力測(cè)試流程圖

3.2.4 索力監(jiān)測(cè)

索的拉力與其自身的自振頻率之間存在一定的關(guān)系，利用這一關(guān)系，對(duì)于兩端鉸接的柔性索，通過測(cè)得自振頻率，可以直接求得索的拉力，索的拉力計(jì)算公式為[9]：

式中：T為索的拉力，kN；W為單位長(zhǎng)度索的質(zhì)量，kg；L為索的計(jì)算長(zhǎng)度，m；fn為第n階的自振頻率，Hz；n為振動(dòng)階數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

3.3 鋼箱拱線形控制

鋼箱拱的吊裝需要控制每一節(jié)段的安裝線形，必須對(duì)每一節(jié)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，偏差在允許范圍之內(nèi)，方可允許下一節(jié)段的安裝。僅列出對(duì)南拱肋S1-S7-S1的每一段安裝拱肋吊裝進(jìn)行線形監(jiān)測(cè)，理論線形和實(shí)測(cè)線形偏差如圖12至圖15所示。

吊裝過程中通過理論坐標(biāo)值和實(shí)測(cè)坐標(biāo)值的比對(duì)，偏差基本上控制在-2.0～+2.0 cm范圍之間，可以滿足安裝精度和規(guī)范要求。

3.4 鋼梁線形控制

對(duì)鋼梁安裝進(jìn)行線形監(jiān)測(cè)（本文僅給出中軸線（T5測(cè)點(diǎn)）數(shù)值），安裝線形T5測(cè)點(diǎn)的偏差如圖16至圖18所示。

圖12南拱拱肋節(jié)段頂板線形偏差（單位：cm）

圖13南拱拱肋節(jié)段底板線形偏差（單位：cm）

圖14 南拱拱肋節(jié)段南腹板線形偏差（單位：cm）

圖15 南拱拱肋節(jié)段北腹板線形偏差（單位：cm）

鋼梁安裝過程中通過控制坐標(biāo)值和實(shí)測(cè)坐標(biāo)值的比對(duì)，偏差基本上控制在-1.0～+1.0 cm范圍之間，可以滿足安裝精度和驗(yàn)收規(guī)范要求。

3.4 吊桿索力監(jiān)測(cè)

全橋共布置有40對(duì)80根吊桿，吊桿編號(hào)如圖19，南北側(cè)鋼箱拱各設(shè)置20對(duì)40根，吊桿的安裝、張拉和最終索力調(diào)整如下。

圖16鋼梁安裝縱向偏差圖（單位：cm）

圖17鋼梁安裝橫向偏差圖（單位：cm）

圖18 鋼梁安裝豎向偏差圖（單位：cm）

圖19 全橋吊桿編號(hào)示意圖

根據(jù)施工過程的需要，全橋吊桿共分為3次張拉，最終成橋狀態(tài)下二期恒載完成后吊桿索力自動(dòng)逼近設(shè)計(jì)索力，吊桿張拉施工過程中需要對(duì)吊桿索力、鋼拱位移、鋼梁位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，吊桿的三次張拉順序?yàn)椋撼鯊埨?，考慮到施工方便的需要和初張拉力較小，可以滿足拱肋的受力要求，初張拉由拱腳向拱頂方向南北拱對(duì)稱依次進(jìn)行張拉，初拉力約為成橋索力的30%；二次張拉，根據(jù)計(jì)算確定二次張拉力大小，二次張拉由拱頂向拱腳方向南北拱對(duì)稱依次進(jìn)行張拉；三次張拉，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)值實(shí)際測(cè)量，需要對(duì)南拱吊桿進(jìn)行吊桿索力調(diào)整三次，北拱吊桿索力不再進(jìn)行調(diào)整，南拱吊桿的三次調(diào)整由拱頂向拱腳方向?qū)ΨQ依次進(jìn)行張拉。

在吊桿張拉施工過程中，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊桿索力的情況以掌握吊桿的實(shí)際受力與理論計(jì)算值的偏差，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖20至圖21所示。

圖20 北拱成橋索力（單位：kN）

圖21 南拱成橋索力（單位：kN）

通過對(duì)頻譜分析法實(shí)測(cè)吊桿索力值與理論吊桿索力值對(duì)比，對(duì)吊桿索力進(jìn)行復(fù)測(cè)或監(jiān)測(cè)，對(duì)偏差過大的吊桿索力再進(jìn)行調(diào)整，以確保拱橋結(jié)構(gòu)的安全。從以上對(duì)比結(jié)果可以看出，經(jīng)過三次張拉后吊桿的索力實(shí)測(cè)值與理論索力值還存在一定的偏差，最終整體偏差較小，個(gè)別吊桿理論值與實(shí)測(cè)值偏差稍微大一些，這主要是由于拱腳附近位置的吊桿長(zhǎng)度比較短，測(cè)量的誤差會(huì)比較大；溫差影響，尤其是在夏季施工，日照、晝變溫差都會(huì)給索力和橋面高程帶來影響；計(jì)算誤差，模型的模擬并不完全的準(zhǔn)確，也會(huì)帶來誤差的影響；還有施工過程中吊桿張拉時(shí)，人為控制因素、張拉設(shè)備儀器以及張拉時(shí)不可避免的應(yīng)力損失都會(huì)造成兩者之間的偏差。施工過程中吊桿索力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值有較大偏差，最大偏差達(dá)到13.9%，隨后在接下來的吊桿張拉過程中不斷調(diào)整索力，使吊桿索力不斷接近設(shè)計(jì)值，最終在橋面鋪裝結(jié)束工況下索力誤差均小于5%，達(dá)到設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，此外全橋索力實(shí)測(cè)終值均在拉索的設(shè)計(jì)安全范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

本文圍繞成都市南延線跨府河橋的大跨度外傾非對(duì)稱式系桿拱橋的施工過程，在理論研究和有限元模型仿真分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地對(duì)大跨度外傾非對(duì)稱式系桿拱橋采用支架法施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控和深入的研究[6]，在全面指導(dǎo)施工順利進(jìn)行的同時(shí)，對(duì)該種類型橋梁建造過程中的多處關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究、分析和總結(jié)，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）簡(jiǎn)單介紹了大跨度外傾非對(duì)稱式系桿拱橋的特點(diǎn)，敘述了該類體系復(fù)雜橋型的施工監(jiān)控的特點(diǎn)、方法以及研究現(xiàn)狀；

（2）以府河橋?yàn)楣こ瘫尘爸贫舜罂缍韧鈨A非對(duì)稱式系桿拱橋采用支架法施工的施工監(jiān)控整體方案。確定采用綜合控制方法對(duì)全橋的施工過程進(jìn)行科學(xué)合理的施工控制，并給出了府河橋施工監(jiān)控的內(nèi)容、方法、原則以及目標(biāo)；

（3）根據(jù)府河橋自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件Midas/Civil建立全橋施工階段有限元模型，并對(duì)實(shí)際的施工全過程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算分析。通過對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力和位移的理論模型計(jì)算數(shù)值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析對(duì)比，不斷的對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和修正，對(duì)全橋的后續(xù)施工過程進(jìn)行準(zhǔn)確的指導(dǎo)和有效的控制；

（4）介紹了采用支架法施工的特點(diǎn)，特別是對(duì)鋼箱拱肋吊裝和鋼梁拼裝施工過程中鋼箱拱肋和鋼梁的安裝精度以及支架穩(wěn)定性的有效控制，為施工過程中的質(zhì)量和安全提供了理論上的依據(jù)；

（5）后期體系轉(zhuǎn)換過程中臨時(shí)對(duì)拉索的張拉和拆除、鋼箱拱支架和鋼梁支架的拆除過程、吊桿張拉和系桿張拉等關(guān)鍵施工過程是該橋的重要部分。本文對(duì)體系轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，采用有限元分析計(jì)算方法，依據(jù)設(shè)計(jì)文件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況進(jìn)行的體系轉(zhuǎn)換全過程仿真分析研究非常必要且技術(shù)可行，從該橋的成功施工建造可知，施工全過程的仿真計(jì)算分析研究有力地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，對(duì)實(shí)際施工過程中的關(guān)鍵工序及控制措施的制訂具有非常重要的意義[7-10]。