大跨径系杆拱桥大节段安装过程内力及变形分析

袁 普

（中交三公局第六工程有限公司,河北 石家庄 050000）

0 引言

钢箱梁系杆拱桥具有跨越能力大、施工效率高、结构自重轻、水平推力小等优点，是在国内得到广泛采用的一类桥梁结构形式。钢箱梁系杆拱桥大多将系杆及拱肋划分为多个节段，在钢结构工厂内预制成型后运至现场，随后采用缆索吊装、悬臂拼装的方式，将系梁以及拱肋节段安装成型。对于采用系梁及拱肋大节段的系杆拱桥，在拱桥施工过程中，结构的受力与变形特性较为复杂，为了保证施工安全性和成桥精度，需要对施工过程中结构的受力状态和变形展开研究。

国内学者针对大跨径系杆拱桥施工控制这一方面，展开了较为充分的研究[1-2]。李明[3]等结合施工实例对大节段钢拱肋吊装的施工工序进行了研究，结果表明，大节段钢拱肋吊装过程中的内力和线形均能控制在合理范围内；孙海鹏[4]针对一种双跨下承式系杆拱桥的大节段拼装施工监控技术提出一套系统的监控方法，并结合有限元分析软件进行详细计算，同样验证了大节段钢拱肋吊装过程中的内力和线形均能控制在合理范围内；王建勋[5]等讨论了大跨度钢桁架拱桥先拱后梁施工方法的可行性，并结合工程实际建立了有限元软件计算模型，分析了大节段在施工过程中的安全性与可行性，验证了结构在施工过程中具有良好的强度和刚度，结构的安全性与稳定性均能满足相关规范要求。

针对钢箱系杆拱桥在支架斜交布置条件下，采用大节段吊装施工的相关研究较少。为了探讨在斜交支架布置情况下，采用大节段按照过程中的受力性能，以清水河大桥为依托开展相关研究分析。

1 工程概述

1.1 桥梁结构特点

清水河大桥主桥采用178 m+85 m 两跨简支钢箱下承式系杆拱桥，桥面全宽24.25 m。178 m 跨径主跨通过系梁平衡拱脚推力形成整体无水平推力结构。主跨采用全钢的结构形式，主跨拱肋以及系梁均采用钢箱梁，桥面系梁采用正交异性钢桥面板，整体结构自重较轻，主跨轴线与河道线斜交。

主桥跨径为178 m，拱圈轴线采用二次抛物线，矢跨比为1 ∶4。主跨主拱圈由两片拱肋组成，其所在平面与水平面正交。主拱拱肋采用单箱单室钢箱梁，钢箱高2.6 m，宽2 m，主拱拱肋之间设六道“一”字形风撑；系梁采用单箱单室钢箱梁截面，梁高2.6 m，宽2 m。主桥共设置27 对吊杆，吊杆采用热挤压钢绞线成品索，拱端采用锚箱式锚固，梁端采用叉耳式锚固。

1.2 施工工艺流程

清水河大桥主跨按照先梁后拱的施工顺序，利用浮吊进行系梁以及拱肋大节段的吊装工作。主要施工工序介绍如下：

（1）水中临时施工支架与钢管式防撞墩施工。考虑通航需要，施工支架沿桥梁横向的布置方向与桥梁轴线斜交，并与航道线方向一致。

（2）采用500 t 浮吊船将系梁进行大节段吊装，并安装部分横梁及桥面板使得两侧系梁形成整体，如图1（a）所示。

图1 主要施工过程（mm）

（3）将系梁支架进行接高，形成拱肋支架，利用500 t 浮吊船依次吊装部分钢拱肋节段以及相应风撑，如图1（b）所示。

（4）拆除拱肋钢管支架，对称安装吊杆并进行第一次张拉，接着拆除系梁支架，形成主结构体系。

（5）利用汽车吊从两侧拱脚依次向跨中完成剩余桥面板安装，进行吊杆力调整，并完成桥面铺装及附属结构施工。

1.3 施工特点与控制难点

为了提高安装效率，降低对河道的影响，清水河大桥采用大节段吊装进行安装，节段长度及吊重见表1。拱肋节段最大长度57.35 m，最大节段质量141.3 t；系梁节段最大长度52.52 m，最大质量152.8 t。主要预制大节段的跨径和质量，远大于常规的拱肋节段与系梁节段，如表1 所示。

表1 节段尺寸与质量统计表

吊装节段的长度和质量远超过常规的钢箱梁节段。大节段安装的过程中，节段在自重作用下会在节段的中间位置产生较大的挠度，这会大大增加结构线形控制难度。节段支架吊装之后，焊接拼装之前，节段中会产生较大的初始正应力与剪应力。而这样的初始应力会导致桥梁在施工过程中以及运营后的内力较大，大大增加桥梁内力控制的难度。

2 数值计算模型

该次支架结构验算采用商业软件Midas Civil 进行计算。考虑支架结构的承载特点，在计算时将桥面板体系以外的构件均进行建模，同时将永久结构和临时结构进行建模，按照实际支撑方式考虑荷载传递路径，模型图如图2 所示。

图2 支架结构计算模型示意图

模型采用梁单元模拟拱肋和系梁，采用桁架单元模拟吊杆，采用板单元模拟桥面板。全桥共有3 265 个梁单元，668 个板单元，54 个桁架单元。通过调整单元自重系数来考虑实际结构中的系梁、拱肋以及桥面板的重量，采用一般支撑模拟施工过程中的临时支撑。

为了准确地分析系杆拱桥各施工阶段构件受力性能和安全性，按照实际施工过程进行了详细地模拟，共分为45 个施工阶段，这些施工阶段包含安装单元、拆除单元、施加约束、解除约束、施加荷载等工况。

3 大节段安装结构变形及受力性能分析

3.1 大节段安装结构变形计算分析

采用大节段吊装的过程中，由于节段长度较大，支撑在临时墩上，节段会出现较大的挠度变形。为了确保清水河大桥的成桥线形满足设计要求，过程中横梁安装顺利，对清水河大桥在安装过程中的结构变形进行了分析，系梁以及拱肋合龙后，结构变形示意图如图3 所示。

图3 结构变形示意图

系梁合龙后结构出现的最大竖向变形为34.9 mm，出现在系梁大节段跨中位置，最大变形为构件长度的L/1 499，拱肋合龙后结构出现的最大竖向变形为42.7 mm，出现在系梁大节段跨中位置，最大变形为构件长度的L/1 205，从变形与节段长度的比例开看，构件具有良好的刚度。但由于左右侧支架采用与桥梁斜交布置，左右系梁的变形不一致，最大挠度位置不同，对钢横梁的安装对位带来一定影响。为了应对这种变形不一致，左右侧系梁应该设置不同的加工预拱度，确保其按照后在自重作用下两侧系梁的高程相同，满足钢横梁安装的要求。左右侧系梁的合理加工预拱度如图4 所示。

图4 系梁施工预拱度示意图

3.2 大节段安装应力计算分析

计算结果表明，采用大节段安装过程中，钢系梁、钢拱肋及支架在施工过程中出现的最大应力如图5 所示。可以看到，系梁合龙后结构出现的最大正应力为53.2 MPa，最大正应力出现在系梁临时支点之间的跨中位置。在拱肋合龙后，支架结构出现最大应力，支架的最大正应力为74.7 MPa，最大正应力出现在靠梁端侧主拱圈拱肋节段的临时支点位置。由于系杆拱桥的结构自重相对较小，因此在施工过程中钢系梁、拱肋、支架的正应力均相对较小，满足施工过程中临时状态下结构安全控制的要求。

图5 施工过程钢结构及支架最大正应力示意图

在采用大节段吊装施工过程中，钢结构及支架的最大剪应力出现在拱肋安装完成后。拱肋合龙后结构出现的最大剪应力为18.3 MPa，最大应力出现在拱肋临时支撑位置。系梁以及拱肋大节段安装，初始剪应力相对较小。

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）中对于钢构件容许抗剪强度以及抗弯强度的相关要求，取施工阶段钢结构正应力设计强度为fd=270 MPa，剪应力的容许值为fvd=150 MPa。可以看到在施工过程中钢结构的应力水平均较低，都可满足强度验算的要求。同时计算结果表明，钢结构在成桥运营阶段，基本荷载组合对应的最大剪应力为12.9 MPa，最大正应力为81.7 MPa，在运营阶段具有良好的承载能力，采用大节段施工不会引起结构在成桥状态时受力状态有过大变化。

4 结论

结合清水河大桥的施工方案，对大跨径钢结构系杆拱桥采用大节段吊装施工过程中的结构受力性能进行了分析，得出以下主要结论：

（1）施工过程中系梁、拱肋的变形均小于临时跨径的L/500，整体结构具有良好的刚度。结构自身刚度满足大节段吊装施工的要求。

（2）由于左、右系梁临时墩布置不对称，系梁结构的变形具有明显的不对称性，需要设置不同的加工预拱度，确保安装后左右系梁高程对应，满足横梁安装的要求。

（3）在采用大节段安装过程中，系梁以及主拱圈合龙后，整体结构的正应力最大为53.2 MPa，最大剪应力为18.3 MPa，应力水平均较低，满足结构施工过程的受力要求。支架结构的应力状态处于合理水平，能够为钢结构安装提供可靠的支撑。

（4）利用大吨位浮吊，采用大节段吊装法进行钢箱拱桥系梁和拱肋安装是一种合理可行的施工方法，施工过程结构受力状态良好，不会对成桥受力状态带来太大影响。