连续钢桁拱桥施工控制分析

连续钢桁拱桥施工控制分析

摘要：某高速公路大桥为大跨度连续钢桁拱桥，该桥边跨和中跨钢梁均采用临时支墩搭设膺架半悬臂拼装，其中中跨采用刚性临时杆件支撑拱桁，具有架设悬臂长、桥面宽、荷载重、施工临时结构多、体系受力复杂等特点。施工中对钢桁拱各节间拼装线形进行预测和控制，指导钢梁拼装，有效保证了各施工阶段钢梁拼装精度，使钢桁拱顺利精确合龙。该桥监控监测结果表明，各施工节段钢梁线形、杆件应力和吊索索力与理论值相差较小，偏差均在既定目标范围内。

关键词：钢桁拱；悬臂拼装；有限元法；施工控制

１引言

某高速公路大桥为主跨２８８ｍ的连续钢桁拱桥，结合实际施工条件，该桥钢梁采用临时支墩搭设膺架半悬臂拼装法架设，并在中跨设置临时杆件代替柔性吊索对拱桁进行临时支承，该施工方法避免了吊索塔架悬臂拼装法的技术难点。但搭设膺架半悬臂拼装的施工方法具有辅助施工的临时结构规模庞大、受力复杂的特点，为了解大桥施工过程中的结构内力及线形的变化规律，确保结构受力安全和施工精度，使成桥状态的线形和内力满足设计和规范要求，有必要对该桥进行全过程的施工控制。本文主要介绍该桥施工控制，控制内容主要包括线形、应力、索力和抗倾覆稳定性等。

２工程概况

某高速公路大桥主桥是一座连续钢桁拱桥，跨径为（１０８＋２８８＋１０８）ｍ。钢桁拱２片主桁桁间距为３７ｍ，主跨下拱圈矢高５５ｍ。２片主桁架拱之间设有纵、横向联结系，桥面板采用与下弦（或系杆）焊接的正交异性整体桥面板。主拱肋通过柔性吊杆与刚性系杆连接，传递桥面恒载和活载。主桁和桥面系钢材选用Ｑ３７０ｑＤ，联结系钢材采用Ｑ３４５ｑＤ。吊杆为ＯＶＭＧＪ１５－２７钢绞线整体挤压拉索，拉索抗拉强度标准值为１８６０ＭＰａ。桥面总宽４３.５ｍ，设计荷载为公路－Ⅰ级，远期双向８车道。大桥立面布置见图１。

图１大桥立面布置

该大桥两边跨及中跨钢梁均采用临时支墩搭设膺架半悬臂拼装法从两侧边跨往中跨双向架设。其主要施工过程如下：利用塔吊和架梁吊机在支架上架设边跨钢梁；利用中跨临时墩、临时立柱和架梁吊机架设中跨系杆、桥面和钢桁拱肋，吊杆按照无应力长度安装；拱肋合龙后，拆除临时墩和临时立柱，张拉吊杆，铺装二期恒载，二次张拉吊杆，最后进行钢梁整体涂装。

为满足施工需要，对称于该桥中跨跨中设置６个临时支墩，大桥施工临时结构的总体布置见图２。中跨的临时支墩为Ｑ２３５钢桁架式结构，立柱为１.５ｍ钢管，基础采用１.５ｍ的钢筋混凝土桩，混凝土强度等级Ｃ３０。

图2 大桥施工临时结构的总体布置

３施工控制计算模型

采用桥梁结构分析软件ＭＩＤＡＳＣｉｖｉｌ建立大桥连续钢桁拱空间杆系有限元模型。钢桁拱和临时结构的钢结构杆件采用梁单元模拟，吊索采用桁架单元模拟。钢桁拱的Ｐ０和Ｐ３号边墩为纵向可动支座，Ｐ１号墩为纵向固定支座，Ｐ２号主墩为纵向可动支座；在钢桁拱施工过程中，临时支墩墩顶设置竖向只受压支座。基于以上模拟，全桥离散为６００７个梁单元，５８个桁架单元，３２７９个节点，该大桥钢桁拱计算模型见图３。根据该桥施工方案，大桥施工过程划分为４５个阶段进行模拟计算，该大桥钢梁架设主要施工阶段见表１。计算荷载主要包括结构自重、爬坡吊机重量、临时施工荷载、吊索张力和环境温度等。

图３大桥钢桁拱计算模型

表１大桥钢梁架设主要施工阶段

施工价段施工内容

１搭设边跨和中跨临时墩

２安装Ｅ０～Ｅ３节间，拼装爬坡架梁吊机

３安装Ｅ３～Ｅ５节间

４Ｌ４号临时支墩抄垫，Ｌ１～Ｌ３号临时支墩落架，拆除首节间临时杆件

５在Ｅ０～Ｅ３节间施加压重，悬臂拼装Ｅ５～Ｅ１０节间的杆件

６拆除边跨临时墩，主墩纵向临时约束

７拼装Ｅ１０～Ｅ１３节间，Ｌ５号临时支墩抄垫，安装支撑拱桁的临时杆件

８拼装Ｅ１３～Ｅ１７节间，Ｌ６号临时支墩抄垫，安装支撑拱桁的临时杆件

９南岸拼装至Ｅ１７～Ｅ２１节间，北岸拼装至Ｅ１７～Ｅ２０节间

１０合龙前位移调整

１１依次合龙下弦、斜杆和上弦，以及桥面系杆件

１２中跨合龙后拆除临时结构，完成体系转换，安装正式支座

１３吊索的一期恒载索力调整

１４桥面铺装，吊索的成桥恒载索力调整１５成桥

由于该大桥所有钢梁杆件和柔性吊索均按预先计算确定的无应力长度进行工厂预制，因此在钢梁架设过程中，采用无应力状态法进行施工过程的分析和控制。

４施工控制成果分析

４.１线形

合理的制造预拱度是保证大跨度连续钢桁桥的成桥线形满足设计要求的重要前提条件，该大桥的竖向预拱度由恒载挠度＋１／２活载挠度组成，其预拱度的设计值与监控计算值见图４。由图４可知，预拱度值的监控计算结果和设计值的差值为＋３～－８ｍｍ，相差较小。

图４竖向预拱度的设计值与监控计算值

在钢梁每个节间拼装前、后，对钢梁的节点标高和纵、横向偏位进行监测，

该大桥关键施工阶段桥面线形的实测值与理论值对比结果见图５。

图5大桥关键施工阶段桥面线形

由图５可知，南、北两岸钢梁在关键施工阶段桥面线形的实测值与理论计算值偏差较小；成桥后，钢梁节点标高的偏差均控制在±２０ｍｍ以内，说明钢梁成桥线形与设计线形吻合较好。

４.２应力

４.２.１主体结构

根据监控计算结果，该大桥施工过程中主桁杆件的应力包络图见图６。

图６施工过程中主桁杆件的应力包络图

由图６可知，施工过程中，钢桁梁上弦杆最大组合拉应力为１８６.３ＭＰａ，下弦杆最大组合压应力为２０７.９ＭＰａ，小于Ｑ３７０ｑＤ的组合容许应力（２５２ＭＰａ）。横向联结系杆件的最大组合拉应力为８５.９ＭＰａ，最大组合压应力为８８.８ＭＰａ，小于Ｑ３４５ｑＤ的施工阶段组合容许应力（２４０ＭＰａ），说明钢桁梁受力均满足规范要求。

钢梁架设施工过程中，在每个悬拼节间架设完毕、顶（落）梁和合龙前、后，对关键受力杆件进行应力监测，与监控理论计算结果进行对比可知：①架设过程中，钢梁各个关键受力杆件实测应力的变化规律与理论计算比较一致，实测值总体上略小于理论值。②在南岸钢梁架设至Ｅ２０Ｅ２１节间，上弦爬坡吊机前轮位于Ａ１９时，上游侧拱上弦杆件Ａ１６Ａ１７的实测最大轴向拉应力为１２５.４ＭＰａ，小于理论值１４０.０ＭＰａ；下游侧拱下弦杆件Ｅ１７Ｅ１８的实测最大轴向压应力为１２８.６ＭＰａ，小于理论值１３６.０ＭＰａ。③连续钢桁拱中跨合龙、临时杆件和临时支墩拆除、正式支座安装后，下游侧拱下弦杆件Ａ８Ａ９的实测最大轴向拉应力为３８.１ＭＰａ，小于理论值４２.０ＭＰａ；下游侧拱下弦杆件Ｅ１０Ｅ１１的实测最大轴向压应力为８８.１ＭＰａ，小于理论值９６.０ＭＰａ。