異型斜靠式鋼箱系桿拱橋仿真分析與施工監測

■趙丹丹

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

斜靠式鋼箱系桿拱橋具有外形優美、橋下凈空大以及能克服軟弱地基環境等優點[1-3]，并且能通過內傾的邊拱增強整體結構抗扭轉和側傾能力[4]。 但其還有一個特點，即不同的施工方法會引起不同的成橋線形和結構內力。 此外，結構自重、施工荷載、材料彈模、溫度變化以及測量誤差等因素，也會導致結構的設計值與實測值存在偏差。 值得注意的是，某些偏差具有累積效應，若對偏差不及時加以有效的調整，結構的線形將顯著偏離設計值，影響成橋的受力狀態和線形，甚至造成合龍困難。 因此該類橋在施工過程中需進行嚴格的施工監控。

本研究通過有限元模型計算和施工實時監測，對某異型斜靠式鋼箱系桿拱橋施工過程中關鍵截面的線形、內力等指標進行跟蹤監測，并通過理論值與實測值的比較和誤差分析，對結構狀態甚至施工方案進行必要的調整，以得到合理的結構線形，保證結構施工安全。

1 工程概況

某大橋采用斜靠式鋼箱系桿拱橋，主拱跨徑78.33 m，副拱跨徑122 m，橋長112 m，橋寬44～53 m。上部主梁結構為三跨連續梁拱組合體系，跨徑布置為（14.9+82.2+14.9）m，高度1.6～1.84 m。 下部采用實體墩臺，鉆孔灌注樁基礎，臺后18.5 m 范圍內路基設鋼筋混凝土扶壁式擋墻。

橫向按整幅布置，橋面寬度43～53 m，曲線變寬。 具體布置為：（2～6.5）m（觀景平臺）+5.25 m（人行及非機動車道）+3 m （索區）+11.5 m （行車道）+0.5 m （隔離欄）+11.5 m （行車道）+3 m （索區）+5.25 m （人行及非機動車道）+（2～6.5）m （觀景平臺），雙向六車道。 橋梁布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖

2 有限元模型建立

有限元模型計算采用正裝迭代計算，得到有限元模型各施工階段主要部件的位移和應力，并根據計算結果對施工階段的主橋拱肋和縱梁進行預拱度設置。

2.1 模型建立

采用有限元計算軟件MIDAS/CIVIL 建立該橋有限元模型，對結構進行分析計算，有限元模型見圖2。 在有限元模型中，大橋主拱肋、副拱肋、橫撐、縱橫梁、橋墩、承臺、系梁等構件均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。 全橋共1 469 個節點和2 100 個單元。

圖2 全橋有限元模型

2.2 計算參數

橋墩采用C50 混凝土，拱座采用C40 混凝土、承臺系梁采用C35 混凝土。 其主要力學性能指標如表1所示。拱肋和鋼梁均采用Q345qC 結構鋼；吊索采用Φ5 mm 低松弛預應力鍍鋅鋼絲（fPK=1 770 MPa），規格為Φ5-121、Φ5-55、Φ5-37。

表1 混凝土材料參數

（1）結構自重：大橋含主拱、副拱、橫撐、縱橫梁、吊桿，均按照結構實際截面尺寸計入。 鋼結構及吊桿容重γ=78.5 kN/m3。 （2）車行道橋面鋪裝：40 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+30 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料；吊索區橋面鋪裝：25～55 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料；人非混行車道橋面鋪裝：25 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料； 觀景平臺鋪裝結構：25 mm 高粘瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 樹脂瀝青混合料。 （3）全橋吊索區欄桿總重：43.1 kN；全橋雙側（中央分隔帶）防撞護欄總重：186.8 kN；全橋單側防撞護欄總重：285.5 kN。 （4）汽車荷載：按城-A 級設計，雙向六車道計算，考慮最不利情況，按各車道的影響線加載。 布載方式、橫向分布系數、縱向折減系數和汽車荷載沖擊系數均按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）[5]相關規定計入。 （5）人群、非機動車荷載：按《城市橋梁設計規范》（CJJ11-2011）[6]計算。

2.3 邊界條件

大橋為斜靠式鋼箱拱橋結構，主拱肋在拱腳處與橋面系縱梁固結， 兩片主拱肋間設置橫梁連接，副拱拱腳錨固面埋入承臺。 在有限元模型中，邊界約束條件根據實橋實際施工過程模擬建立，承臺底均為固結，承臺與橋墩采用剛性連接，主拱拱腳與縱梁節點直接單元連接，副拱拱座與副拱承臺直接單元連接，球形鋼支座采用彈性連接模擬簡支邊界，縱橫梁支架及拱肋支架均采用僅受壓邊界模擬。

3 主橋受力分析

3.1 拱肋

二期恒載施工完畢，第二次張拉主拱吊索至目標索力后拱肋的內力、應力和位移如圖3～4 所示。最大軸力為8 650 kN，最大正彎矩為3 090 kN·m，最大負彎矩為-133 kN·m，最大應力為-51.5 MPa；拱頂最大位移為-19 mm。

圖3 拱肋內力及應力

圖4 拱肋豎向位移

3.2 縱梁

二期恒載施工完畢，第二次張拉主拱吊索至目標索力后縱梁的內力、 應力和位移如圖5～6 所示。最大軸力為3 635 kN，最大正彎矩為3 659 kN·m，最大負彎矩為-8 025 kN·m，最大應力為-63.7 MPa；拱頂最大位移為-20 mm。

圖5 縱梁內力及應力

圖6 縱梁豎向位移

4 預拱度設置

設置施工預拱度主要是為了消除施工過程中各種荷載對線形的影響。 預拱度一般由施工預拱度和經驗預拱度組成，施工預拱度的設置主要是考慮施工過程中的自重變形，經驗預拱度的設置主要是考慮后期運營過程中的收縮徐變、后期預應力損失以及活載變形。

4.1 拱肋

施工過程中拱肋的豎向位移累計值取反號得到拱肋的施工預拱度，拱肋跨中最大施工預拱度為19.3 mm。 在1/2 活載作用下拱肋位移呈雙拋物線狀，以拱肋跨中的位移為頂點繪制一條拋物線，該拋物線即為拱肋的經驗預拱度。 拱肋跨中經驗預拱度為5.0 mm。將拱肋的施工預拱度和經驗預拱度相加即為拱肋的總預拱度，如圖7 所示，拱肋最大總預拱度為24.3 mm。

圖7 拱肋總預拱度

4.2 縱梁

施工過程中縱梁的豎向位移累計值取反號得到縱梁的施工預拱度，縱梁跨中最大施工預拱度為19.5 mm。在1/2 活載作用下縱梁中跨位移呈雙拋物線狀，以縱梁跨中的位移為頂點、支座處為起點繪制一條拋物線， 該拋物線即為縱梁的經驗預拱度，縱梁跨中經驗預拱度為9.6 mm。將縱梁的施工預拱度和經驗預拱度相加即為縱梁的總預拱度， 如圖8所示，副拱肋最大總預拱度為29.1 mm。

圖8 縱梁總預拱度

5 監測方案

5.1 縱梁線形測點布置

鋼梁采用分段支架拼裝，縱梁安裝采用人工舉桿方式進行安裝精調到位。 為精確監測縱梁后續施工節段的變形狀況，設立能表征縱梁變形特點的控制截面，在每一控制截面頂板前、后端位置布置測點，測得其高程，并以有限元模型計算值為基準，在預期范圍內調整測點高程。 控制截面分別是小里程邊跨L/4、L/2、3L/4，中跨L/4、L/2、3L/4，小里程邊跨L/4、L/2、3L/4，為方便控制縱梁第一段安裝，增加一端頭控制截面，共計10 個控制截面，每個斷面布設5 個測點，總計50 個測點。 具體位置如圖9 所示。

圖9 縱梁線形測點布置示意圖

5.2 拱肋線形測點布置

拱肋安裝時必須保證拱肋軸線、高程和橫橋向位置，使拱肋軸線、高程和橫橋向位置控制在精度范圍之內。 拱肋安裝采用人工舉桿方式進行安裝精調到位。 為精確監測拱肋后續施工節段的變形狀況，設立能表征拱肋變形特點的控制截面，在控制截面位置處布置測點，測得其高程，并以有限元模型計算值為基準，在預期范圍內調整測點高程。 鋼結構拱橋的線形對于受力影響很大，為精確控制拱肋的空間位置，分別在每一吊桿對應拱肋截面下邊緣布置測點，主拱共計13 個控制截面，每個斷面布設1 個測點，兩側合計26 個測點，副拱共計19 個控制截面，每個斷面布設1 個測點，兩側合計38 個測點，總計64 個測點。 具體位置如圖10 所示。

圖10 主拱變位測點布置示意圖

5.3 縱梁應力測點布置

根據橋梁工程相關規范要求，對中跨支點、L/4 截面、跨中，邊跨跨中、支點，共計9 個控制斷面，每個斷面布設14 個測點， 總計126 個測點進行應力測量。 縱梁應力測點布置如圖11 所示。

圖11 縱梁應力測點布置示意圖

5.4 拱肋應力

根據橋梁工程相關規范要求，對主、副拱肋拱腳、L/4 截面、拱頂的5 個控制斷面，共計20 個控制斷面，每個斷面布設6 個測點，總計120 個測點進行應力測量。 拱肋應力測點布置如圖12 所示。

圖12 拱肋應力測點布置示意圖

6 監測結果分析

在各施工階段過程中，縱梁線形比較如圖13 所示。 最大的軸線偏位為20 mm，最大高差為25 mm，應力實測值與理論計算值相符，最大應力為-25.1 MPa。成橋后，縱梁線形平順，基本貼近設計曲線，且具有一定的富余預拱度，說明大橋主橋縱梁線形良好，基本滿足設計要求。

圖13 縱梁線形比較

在各施工階段過程中， 拱肋線形比較如圖14所示。 最大軸線偏位最大為12 mm，最大高差為21 mm，應力實測值與理論計算值相符，最大壓應力為-35.2 MPa，滿足規范要求。 成橋后，拱肋線形基本貼近設計曲線，拱肋線形良好，基本滿足設計要求。

圖14 拱肋線形比較

7 結論

綜上所述，有限元模型計算分析和施工監測可為斜靠式鋼箱系桿拱橋施工控制提供相應的技術參數和施工數據。 通過分析橋梁線形變化和應力變化，可有效控制橋梁變形、應力狀態等參數符合橋梁設計要求，并且保證施工過程中受力安全。 成橋后，縱梁和拱肋線形良好，基本貼近設計曲線，且具有一定的富余預拱度，能夠滿足設計要求。