楊苗

（江西省公路科研設(shè)計院有限公司，江西南昌330000）

0 引言

梁拱組合體系橋兼具梁橋和拱橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在橋梁中的應(yīng)用日益廣泛。就拱肋吊裝施工工藝而言，一般采用支架法、轉(zhuǎn)體施工法、斜拉扣掛法、先梁后拱法等。其中，轉(zhuǎn)體施工法難度系數(shù)大，轉(zhuǎn)體重量較難控制，僅適用于小跨徑橋型；斜拉扣掛法則必須設(shè)置纜索塔架，工程量大，對施工場地有較高要求。所以，先梁后拱法更為常用，而在未完全形成橋梁結(jié)構(gòu)體系前，重型吊車在橋面吊裝拱肋很可能影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。為此，本文依托具體工程，深入分析了橋面吊裝施工過程履帶吊施工機(jī)械對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，并驗證了各種荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，以達(dá)到施工控制及指導(dǎo)施工的目的。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁主橋為4 跨下承式拱梁組合體系，雙主梁+異形鋼拱結(jié)構(gòu)，采用滿堂支架法澆筑施工，主橋鋼拱抵抗外荷載主要借助雙主梁和吊桿實現(xiàn)。主橋跨徑44m+88m+88m+44m，一般位置橋面寬45m，拱腳處截面寬50.5m。拱肋包括中拱和副拱兩部分，且均采用六邊形鋼箱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊拱沿橫橋向?qū)ΨQ布置，且均向外傾斜35°呈“V”字形。中拱和副拱主要通過剛性連接桿連接，中拱拱腳處設(shè)剛性豎桿連接主梁。

2 拱肋吊裝施工方案

拱肋吊裝施工期間，各節(jié)段坐標(biāo)均處于變化過程中，為加強(qiáng)施工控制，必須通過仿真計算，確定出一整套切實可行的拱肋吊裝施工方案。具體而言，在拱肋節(jié)段吊裝施工的過程中，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求，事先設(shè)置出合理標(biāo)高，此后，在拱肋節(jié)段施工進(jìn)程中不斷被消耗[1]，最終起到較為理想的標(biāo)高控制效果。

該預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系拱肋采用墩梁式支架現(xiàn)澆法施工，拱肋支撐主要依靠鋼結(jié)構(gòu)胎架。這種施工方式下，既能有效克服常規(guī)拱肋吊裝施工中索力頻繁調(diào)整的問題，又能簡化施工流程，加快施工進(jìn)度。主拱肋采用變截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)，共包括44 段拱肋，單節(jié)段質(zhì)量在17.8～36.5t 之間，分節(jié)段吊裝并焊接。其中，鋼橋中部X 形節(jié)點(diǎn)處節(jié)段質(zhì)量達(dá)到90t。鋼拱肋安裝過程中以格構(gòu)胎架為主要支撐，并在分段處設(shè)置支撐點(diǎn)。通過2 臺150t 履帶吊安裝鋼拱肋主體、卸除構(gòu)件并裝拆支撐胎架。拱肋中部X 形節(jié)段質(zhì)量較大，故同時使用2 臺300t 履帶吊吊裝。

為了掌握施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變動情況，明確施工過程控制要點(diǎn)，必須對施工過程控制進(jìn)行深入分析。在預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系拱肋吊裝施工過程中，主拱結(jié)構(gòu)組成、邊界條件等均隨施工進(jìn)程而變化。為此，必須結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)信息、具體的施工工藝和施工荷載，應(yīng)用有限元軟件建立不同施工階段主拱肋仿真分析模型，借助對施工過程的模擬，鎖定控制要點(diǎn)[2]。

3 前期準(zhǔn)備

3.1 控制網(wǎng)復(fù)核

為保證拱肋順利拼接，并判斷拱肋安裝的合格程度，必須建立首級測量控制網(wǎng)。但是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工周期長，時間跨度大，自然環(huán)境、施工工藝等均會對控制網(wǎng)造成不利影響，為此必須定期展開首級測量控制網(wǎng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的復(fù)核。常用的控制網(wǎng)復(fù)核方法有趨勢性分析、單點(diǎn)穩(wěn)定性分析、整體穩(wěn)定性分析等，為減小施工過程的不利影響，控制點(diǎn)大多設(shè)置在受施工影響較小的區(qū)域；日常監(jiān)控期間，使用頻率較高的點(diǎn)在施工的影響下可能出現(xiàn)一定程度的位移。所以，單點(diǎn)穩(wěn)定性分析是最為常用的控制網(wǎng)復(fù)核方法[3]。

3.2 橋軸坐標(biāo)系創(chuàng)建

拱肋主要通過吊車吊裝架設(shè)，為便于指揮吊車運(yùn)移，將拱肋軸線和控制點(diǎn)從地方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以里程樁號增大方向為縱軸、以橫向偏距為橫軸的橋軸坐標(biāo)系（K，U），高程Z 軸載在三維空間上保持不變。具體而言，在橋軸坐標(biāo)系構(gòu)建時，先于同一個CAD 文件中展繪地方坐標(biāo)系下拱肋特征曲線即控制點(diǎn)；以橋梁中心為零點(diǎn)，過該中心點(diǎn)作與橋梁橫縱軸平行的直線，并分別標(biāo)記為U 軸和K 軸；將U 軸轉(zhuǎn)動至水平向，為保證U 軸向橫坐標(biāo)刻度完全與里程吻合，還應(yīng)將K 軸轉(zhuǎn)動至主橋里程起始處（樁號K2+882）；借助CAD 的UCS 命 令，將U 軸 和K 軸 交 點(diǎn) 坐 標(biāo) 定 義 為（0.000，2882.000）；在橋梁坐標(biāo)系中分別量取，以得出坐標(biāo)系內(nèi)所對應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)。

3.3 有限元模型構(gòu)建及監(jiān)測

應(yīng)用Midas/Civil 有限元軟件構(gòu)建預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系橋整體模型，主梁、拱肋、人行道及吊索結(jié)構(gòu)分別通過梁單元和受拉桁架單元，并按照實際施工次序展開模擬。

拱肋吊裝施工監(jiān)測包括拱肋特定位置平面和豎向高程兩部分，且兩者位置實際值與設(shè)計值的比較均通過高精度全站儀所測量的拱肋特定位置坐標(biāo)加以計算。豎向高程在獲取時，應(yīng)先將拱肋軸線轉(zhuǎn)換成CAD 格式文件，并以拱肋軸線和標(biāo)高基準(zhǔn)線為前視投影；以3m 的間距從拱肋軸線中心對稱軸向兩邊作平行線；拱肋軸線相應(yīng)里程設(shè)計標(biāo)高就是拱肋軸線和標(biāo)高基準(zhǔn)線間的平行線距離。以上過程見圖1。

圖1 拱肋高程監(jiān)控數(shù)據(jù)（單位：cm）

平面位置獲取時，在CAD 中作有限元軟件所生成拱肋軸線的水平投影，并以3m 的間距從大里程向小里程方向作拱肋豎向?qū)ΨQ軸的平行線；拱肋軸線監(jiān)控里程的平面坐標(biāo)為軸線和對稱軸平行線間的交點(diǎn)。

4 施工計算及控制

4.1 拱肋吊裝施工計算

在主梁中心通過2 臺150t 履帶式起重機(jī)起吊X 拱肋階段的過程中，必須進(jìn)行橫縱梁結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度是否滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）要求的驗算。86t 拱肋節(jié)段通過重型載重汽車運(yùn)輸時，150t 履帶起重機(jī)通過橋梁時，均應(yīng)展開橋梁橫縱向剛度、強(qiáng)度驗算。

拱肋吊裝計算荷載具體見表1。

表1 拱肋吊裝計算荷載

為展開拱肋吊裝施工驗算，提出以下三種組合工況：

工況1：結(jié)構(gòu)自重+胎架+預(yù)應(yīng)力+履帶吊吊裝荷載+載重車自重，驗算重點(diǎn)為吊裝過程。

工況2：結(jié)構(gòu)自重+胎架+預(yù)應(yīng)力+按設(shè)計要求配重后的履帶吊在吊裝過程中施加的荷載+載重車滿載重量，以載重車行駛過程受力為驗算重點(diǎn)。

工況3：結(jié)構(gòu)自重+胎架+預(yù)應(yīng)力+無配重的履帶吊吊裝荷載，驗算重點(diǎn)為履帶吊行駛過程。

通過Midas/Civil 有限元軟件中的梁單元建立該預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組和結(jié)構(gòu)的有限元模型，并將主梁按3m 長度分為8 個節(jié)段，共包括1289 個單元和863 個節(jié)點(diǎn)。具體情況見圖2。

圖2 主梁截面梁格劃分

4.2 橋梁整體計算

根據(jù)對荷載工況下主梁截面抗彎承載力的分析，工況1 跨中最大彎矩和最大抗力分別為22410kN·m和86120kN，安全系數(shù)取3.01；墩頂最大彎矩和最大抗力為-158775kN·m 和260887kN，安全系數(shù)取1.68。工況2 跨中最大彎矩和最大抗力分別為33372kN·m和84460kN，安全系數(shù)取2.61；墩頂最大彎矩和最大抗力為-153441kN·m 和267088kN，安全系數(shù)取1.79。兩個工況荷載作用下，截面彎矩均比截面抗力小，符合規(guī)范要求。

根據(jù)對荷載工況下主梁截面抗剪承載力的分析，工況1 墩頂周圍最大剪力和最大抗力分別為9204kN和18821kN，安全系數(shù)取2.10；工況2 墩頂周圍最大剪力和最大抗力分別為8291kN 和18821kN，安全系數(shù)取2.32。以上工況荷載作用下，截面抗力均大于剪力，符合規(guī)范?；炷林髁航孛嬖诠r1 荷載組合作用下無拉應(yīng)力出現(xiàn)，主梁下截面支點(diǎn)周圍出現(xiàn)10.51MPa的最大壓應(yīng)力，對應(yīng)的安全系數(shù)為2.21，應(yīng)力圖見圖3。主梁截面在工況2 荷載組合作用下亦無拉應(yīng)力出現(xiàn)，主梁下截面支點(diǎn)周圍出現(xiàn)10.30MPa 的最大壓應(yīng)力，相應(yīng)的安全系數(shù)為2.12，應(yīng)力圖見圖4。兩種工況下，主梁截面上下緣應(yīng)力均未超出壓應(yīng)力控制值，且安全系數(shù)取值均較大，均符合相關(guān)規(guī)范。

圖3 工況1 荷載組合下主梁截面上緣應(yīng)力圖

圖4 工況2 荷載組合下主梁截面下緣應(yīng)力圖

在工況1 荷載組合及工況2 荷載組合作用下，主梁豎向位移最大值分別為4.77mm 和5.46mm。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）中梁式橋跨撓度限值的相關(guān)規(guī)定，工況1 及工況2 下主梁豎向位移最大值均未超出規(guī)范值。支座最大反力取值以及設(shè)計承載力值具體表2，根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果可知，在工況1 和工況2 的荷載下，支座豎向反力和水平反力取值均較為合理，小于設(shè)計限值，且均具有較高的安全系數(shù)。

表2 工況1 和工況2 支座反力最大值

4.3 橋面板計算

應(yīng)用Midas/Civil 有限元軟件展開該預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋面板計算[4]，選擇長為1.0m 的跨中箱梁段展開分析。因該橋梁為對稱結(jié)果，故只取左幅展開計算。按照該橋梁拱肋吊裝施工過程中最大壓力值計算工況1 荷載布置。試驗車輛經(jīng)過跨中后，車輪荷載和拱肋支撐胎架荷載同時作用于跨中箱梁段結(jié)構(gòu)，按照試驗車輛載重車軸距計算，橫橋向分布的荷載為172.6kN/m。縱梁總受力102.75t，荷載主要分布于路基箱上，具體見圖5。根據(jù)對工況1 及工況2 荷載組合下橋面板極限承載力抗彎包絡(luò)圖的分析，彎矩最大值分別為369.5kN·m 和285kN·m，截面抗力均為404.5kN，均符合相關(guān)規(guī)范。通過分析工況1、2 荷載組合下橋面板極限承載力抗剪包絡(luò)圖，剪力最大值分別為468.2kN 和289.5kN，截面抗力分別為805.8kN和571.4kN，同樣符合規(guī)范。工況1、2 荷載作用下單元截面裂縫最寬達(dá)到0.147mm 和0.126mm，均未超出0.2mm 的規(guī)范值。

圖5 工況2 荷載布置（單位：m）

正常使用極限狀態(tài)下，工況1 荷載作用后箱梁頂板跨中、懸臂最大位移分別為0.5mm 和9.8mm，分別與撓度增長系數(shù)相乘后為0.59mm 和14.7mm，符合規(guī)范要求；工況2 荷載作用后箱梁頂板跨中、懸臂最大位移分別為0.48mm 和0.76mm，也滿足規(guī)范。

5 結(jié)語

綜上所述，本文所研究的預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系拱橋空間線形復(fù)雜，在拱肋吊裝施工過程中，通過橋軸坐標(biāo)系的構(gòu)建，及時進(jìn)行了豎向標(biāo)高及水平偏位等位置情況的反饋，為各施工階段拱肋線形控制提供了數(shù)據(jù)支撐。通過對拱肋軸線前視及俯視投影，取得了準(zhǔn)確的位置三維坐標(biāo)。在吊裝施工過程中，梁底支架剛度模擬結(jié)果與支架實際剛度保持一致，吊車荷載計算也與實際使用吊裝機(jī)械型號、重量、性能等一致。在采取了本文提出的施工方案后，吊裝施工期間未發(fā)生荷載突變，也不存在超大不均勻履帶壓力。