下承式钢桁架桥施工监控要点分析

下承式钢桁架桥施工监控要点分析

摘要：桥梁建设是现代工程基建项目之一，鉴于现代路桥工程较大的通行压力，要求应用各类手段确保桥梁工程质量。基于此，本文选取某地下承式钢桁架桥施

工作为对象，全程进行监控要点分析，包括拱肋模拟、吊杆模拟的建立，线弹性

稳定、非线性稳定计算等，最后结合监控工程给予要点总结，以期通过分析明晰

理论，为后续下承式钢桁架桥施工监控工作提供参考。

关键词：下承式钢桁架桥；有限元分析；线弹性稳定；非线性稳定

前言：下承式桥（through bridge）是指桥面设置在桥跨主要承重结构（桁架、拱肋、主梁）下面的桥梁，即桥梁上部结构完全处于桥面高程之上，一般主拱肋

采用钢管混凝土结构，可作为大跨度拱桥的首选。该种桥梁并给我国独创，进入

我国后却得到了快速发展，当前针对该类桥梁的监控主要针对稳定性和形变量控制，此外也包括一些传统的工程环节，就求施工监控要点进行分析十分必要。

1.工程概况

工程位于江苏省南京市境内，为缓解当地交通压力，市政部门拟建下承式钢

管混凝土系杆拱桥。设计跨径为77.5m，计算跨径75.7m，桥面宽为2.8×1.75m (系杆宽度)+2.2×0.8m(防撞护栏)+19.7m(行车道)，为进一步确保桥梁质量，布置3

道风撑，风撑呈一字型，另有“K”型风撑两道。处于强化桥梁稳定性的考虑，设计拱肋内倾角为11°9′，垂直面内拱肋投影方面，经严密计算取矢高20m。矢跨比为四分之一（计算），拱肋轴线以抛物线原理进行计算和布置，截面高度取178cm，腹板厚度15mm，钢管厚度15mm，单管直径为78cm。桥梁主体结构为钢筋混凝土。其中桥面混凝土规格为C40，系梁、中横梁以及端横梁混凝土规格为C50，

钢管强度标准为Q345D，以混凝土进行填充，规格为C50。桥面为沥青品质，厚

度8cm，吊杆直接应用预制成品索，规格PES7-91，应用冷铸镦头锚作为搭配，

规格LZM7-91。

2.模型构建与分析

2.1拱肋模拟

下承式钢桁架桥是否具备稳定结构，主要取决于拱肋性能，因此采用有限元

模型进行建模分析。本次工程中，对拱肋的处理主要应用换算截面法进行，以抗

压刚度等效作为核心指标，选取C40、C50钢筋混凝土模式，将其作为等效钢材

进行分析，计算方法参考《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28:90，以下

简称《CECS 28:90》)，并在各构件的等效进行时采用统一方式。此外，利用ANS YS中的超级梁单元BEAM 188作为参考进行复合截面梁计算，构件模型分别对内

部圆截面混凝土、外部圆环截面钢材进行强度等效计算[1]。

2.2 吊杆模拟

本次施工所用吊杆为二力杆，模拟成桥状态，以刚性吊杆法代替柔性吊杆索

进行分析，在分析过程中额外应用初应变法、降温法进行张拉模拟，模拟过程中，添加参数代表风力、自重和老化程度的影响。此外模拟不考虑不计吊杆在结构中

的作用，以极小值替代法作为吊杆弹性模量。桥面板模拟采用壳单元法，将桥面

划分为若干单元，代入标准设计值模拟。系梁、风撑和横梁单独作为梁单元，也

引入标准设计值进行模拟，在系梁、横梁上所施加的预应力均以作用在梁端的等

效力来模拟[2]。

3.结构稳定性监控

稳定性监控是下承式钢桁架桥施工监控的核心，包括线弹性稳定、非线性稳

定两个方面。

3.1线弹性稳定监控

针对线弹性稳定的监控主要针对特征值屈曲进行，该方式也被称为第一类稳定。主要观察指标为屈曲荷载的上限，当屈曲荷载达到上限值后，可以获取一个

失稳状态下的形变模型。该模型可以随着荷载的增加不断变化，使人员了解目标

对象的抗压上限，优势是分析过程简单，属于一种高效的开放模型。本次施工模

拟过程中，线弹性稳定监控在非复合截面梁法下进行，监控数据表明屈曲特征值

随拱肋面内刚度E I增大而增大，以换算截面法表示，屈曲特征值的上限为7.898，符合设计要求，也符合《CECS 28 :90》的要求。变化幅值方面，依据模拟实验结果，最大变化幅值为16.2％，满足设计要求。此外，实验表明1阶屈曲模态为拱

肋面外三波正对称失稳。因为该组合式系杆拱桥具有强大的桥面系和横梁结构，

所以本桥表现为“强梁弱拱”特性，拱肋最易发生面外失稳，因此额外进行面内刚

度测试，结果表明，形变量基本维持在4-9mm之间，满足设计要求。

3.2 非线性稳定

非线性稳定是指一些不可预知变化导致的结构性能下降，一般通过严格的管

理控制可以最大限度降低这种失稳情况，也即通常所说的材料监控、施工规范性

监控以及流程监控等常规内容。结合其他同类工程建设经验以及本次施工的实际

要求，发现工程的几何非线性效应不显著，为激发面外失稳模态，进行实验参数

调整，取拱肋初始几何缺陷为自重下1 阶屈曲变位的3％进行测量。综合考虑材

料非线性的结构增量、几何非线性的结构增量，默认二者平衡的情况下，获取计

算式：

([ KD] +[ KG] ){Δδ}={ΔF}.

式中，[ KD] 为结构弹塑性刚度矩阵；[ K G] 为结构几何刚度矩阵；{Δδ}为节点

位移增量;{ΔF}为外荷载增量。应用N-R 法和弧长法进行求解计算，获取非线性屈

曲的极限荷载，进行多次测量、多次计算，求取最优值，使所获结果接近真实情况。本次施工中，在屈曲变位的3％的模拟情况下，双非线性稳定系数K cr=3.944，拱肋失稳时最大横向位移为0.052m，非线性稳定情况良好，梁桥形变量小于

0.2％，满足设计要求。

3.3核心结论

结合本次工程施工监控，给出下承式钢桁架桥施工监控要点包括：结构的稳

定模拟、形变量计算、正对称失稳水平以及常规监控四个方面。结构的稳定是监

控核心，要求以设计参数为准构建模型进行分析，先了解内部超静定结构，再了

解拱肋刚度，通过开放性模拟获取极限值，对比极限值与标准值的差异，如果极

限值低于标准值，表明设计可行。形变量分析同样遵循开放性模拟原则，要求持

续增加外荷载了解形变量上限，如果小于设计允许值，表明设计可行。线弹性稳

定系数方面，要求系数均大于6，双非线性分析所得稳定系数大于4，如果无法

达到标准要求，应重新进行设计。本次工程中，由于设计较为合理，选材得当，

几何非线性效应对失稳影响不显著，但同类工程中应将其作为要点之一给予监控。此外，常规的材料、施工规范性也应作为监管对象，确保工程质量。

总结：通过分析下承式钢桁架桥施工监控要点，获取了相关理论。下承式钢

桁架桥属于下承式桥的一种，在对其进行监控时，除常规材料、规范性、安全监

控内容外，还应注意结构的稳定、变形量、非弹性稳定系数以及正对称失稳等参数。后续工作中，要求在进行桥梁建设前，首先进行综合分析，收集数据、构建

模型，了解各参数的情况，核准其满足施工要求后再进行建设，确保工程质量。

参考文献：