宁波春晓大桥主拱施工关键技术研究

2017-06-26孟续东

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：大节合龙内力

孟续东

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

宁波春晓大桥主拱施工关键技术研究

孟续东

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

宁波春晓大桥为80 m+336 m+80 m的三跨连续中承式钢桁架系杆拱桥。主拱边跨采用支架拼装，中跨采用缆索吊大节段+少扣索悬臂拼装施工工艺。该桥施工过程复杂，存在多次体系转换，尤其主拱采用预偏补偿位移法实现主拱无应力合龙，因此有必要进行详细的施工阶段分析，以确保结构的受力安全和施工的顺利进行。介绍主桥施工方案，重点研究预偏位移补偿法的力学原理，并通过倒拆-正装有限元计算方法，研究预偏位移理论值计算方法。结合工程应用实际，阐明施工过程中预偏位移量设置的影响因素，对类似工程具有参考指导意义。

桁架拱桥;大节段悬臂拼装;少扣索;预偏位移补偿法;合龙;有限元仿真分析

0 引言

1 钢桁架拱桥施工方法概述

按照拱架体系的形成方式分类，目前比较成熟的施工方案有：支架法、大节段整体提升法和斜拉扣挂悬臂法。由于支架法、大节段整体提升法均对场地条件、施工设备的要求比较高，目前采用最多的是斜拉扣挂悬臂法，如大胜关长江大桥、朝天门长江大桥、春晓大桥均采用此种施工方法。按照拱架构件的吊装形式，可以分类为拱上吊机吊装法和缆索吊装法。其中拱上吊机由于起吊重量的限制，适用于栓焊结构，即拱肋构件在工厂焊接组品成小型构件，工地现场由拱上吊机进行小构件栓接安装，如大胜关长江大桥、朝天门长江大桥、横琴二桥。缆索吊装法主要用于大节段整体吊装，如春晓大桥采用全焊结构，为减少工地焊接工作量，要求必须采用大节段整体吊装。按照主拱合龙形式，主要有预偏位移补偿法和纵移调索法，大胜关长江大桥采用主拱与主梁同时悬臂拼装的施工工艺，中跨合龙创新采用了纵移调索的新施工方法[3]。预偏位移补偿法为预先对拱脚和边支点进行位移预偏，待主拱合龙之后，边支点顶升施工，实现主拱无应力合拢。朝天门大桥，春晓大桥均采用此种施工工艺[4]。按照主拱水平推力体系转换形式，分为临时水平拉杆法、永久水平拉杆法和限位中支座法。朝天门大桥主拱合龙之后，设置了临时水平拉杆辅助完成水平推力的体系转换；春晓大桥依靠永久体外水平拉索，实现水平推力的转换；横琴二桥则通过中支座设置可调纵向限位装置，实现刚性系杆合龙，从而完成水平推力体系转换[5]。

2 工程概况

春晓大桥工程是宁波市梅山岛对外连接大陆的第二条跨海大桥，西起春晓镇洋沙山东六路与春晓东八路交叉口，全长1.971km。主线桥梁工程长1.467km，上层为双向六车道一级公路，下层为人非专用通道。

主桥采用中承式双层桁架拱桥，跨径布置为80 m+336 m+80 m=496 m，上层桥宽33 m，下层桥面宽12 m。主跨下层满足游艇通航要求，其中中间108 m范围设置下层纵移桥架，纵移打开后可满足500 t海轮通航要求。主桥总体里面布置如图1所示。

图1 主桥总体立面图（单位：mm）

3 有限元模型和施工阶段划分

采用M id a s C i v i l 2012桥梁结构分析软件对全桥施工过程进行仿真分析，上下拱肋、腹杆、系梁、横梁、风撑以及吊索塔采用梁单元，吊杆、系杆和吊索采用桁架单元，拱梁交接处的节点板、桥面板均采用板单元。

全桥模型共划分为4 998个节点，9 571个单元，其中梁单元8 243个，桁架单元628个，板单元700个。施工阶段有限元计算模型见图2。

图2 施工阶段有限元计算模型

主桥边跨采用浮吊船安装于钢管支架上，中跨则利用缆索吊装系统，将大节段拱肋及主梁节段吊装于安装线性位置。设置两对扣挂索临时拉索系统，一次张拉到位，钢管索塔独立设置于主墩承台。施工步骤详见表1。

4 主拱施工方案及有限元仿真分析

4.1 主拱施工及合拢方案

实际场景中,信号源的位置是随机的,每个脉冲信号的到达时间不同,因此接收端很难采样到每个信号的峰值,这被称为非理想采样。理想采样能采样到信号的峰值,但是非理想采样情况下采样到的位置则是随机的。在多径信道情况下,信号相互交叠,更加难以实现信号的分辨估计。本节介绍基于泰勒级数展开的信号分辨算法,其原理参考文献[6]。

根据施工方案，主跨拱肋安装采用“固塔少扣索、无支架缆索吊”工艺。主拱节段通过缆索吊提升到位后，进行悬臂拼装。为了控制悬臂拼装过程中主拱应力，设置斜拉扣挂系统，以辅助主拱受力。同时，为了避免拉索多次张拉以及减少扣挂索数量，本工程中仅设置了两对扣挂索系统，主拱施工总体布置如图3所示。

悬臂拼装过程中，拱肋的标高线性控制尤为重要，春晓大桥主拱标高误差要求±10 mm。由于采用了少扣索扣挂系统，拱肋下挠量需要准确的计算，并通过设置预拱度等施工措施予以补偿。春晓大桥采用了边支点降低45 c m，拱脚支座旋转0.2332°，跨径减少9 c m的位移补偿措施。在主拱合龙并安装水平拉杆X1，解除活动支座临时约束后，开始边支点顶升，并调整水平拉杆X1索力为目标索力。

表1 施工工况划分

图3 中跨主拱大节段少扣索缆索吊安装（单位：m）

施工监控数据表明，边支点顶升完成后，拱肋线性偏差、拱脚位移偏差均能够满足相关规范要求。主拱内力状态接近目标控制值。主拱施工阶段合龙与目标内力图对比，如图4所示。

图4 主拱内力状态对比（单位：tonf）

4.2 预偏位移补偿法原理

春晓大桥主拱施工及合龙，采用了预偏补偿位移法。为满足施工过程中拱架预拱度以及无应力合龙的需求，拱脚及边支点构件实际安装位置较理论位置预先设定了位移差，该位移差将在主拱合龙后，予以补偿[2]。其核心原理为通过合龙前预设位移预偏，满足了施工需求，合龙后预偏值恢复并调整水平拉索，同时忽略了由于安装尺寸差异导致的内力变化，从而保证了成桥后拱肋内力值接近于目标控制值。

（1）理论位移预偏量的确定

为使拱肋悬臂拼装合龙后，拱内力接近目标成桥内力状态，边支点预偏量可以通过倒拆—正装的有限元分析方法计算得到。从目标状态出发，按照施工顺序逆做，逐步拆除结构杆件，从而得到边支点顶升理论位移量。为便于明晰预偏位移补偿法基本力学原理，本文将工程模型简化，简化模型如图5所示。

图5 简化模型

以拱肋一次落架为目标成桥状态，其内力分布图如图6所示。

按照施工顺序倒拆模型，拆除水平拉杆后，对模型边支点施加预降位移。经试算，边支点预降42 c m后，拱肋内力分布如图7所示。

图6 主拱一次落架内力分布图

图7 边支点试算预降量拱架内力分布图

由图7可知，拱肋合龙段轴力、剪力、弯矩均接近于零，满足合龙段无应力合龙条件，由此得到理论预偏位移初算值。

再按照实际施工顺序进行正装分析，按倒拆得到的预偏位移初算值做为正装模型中的预偏值，经计算，主拱合龙顶升，并完成水平拉索索力调整后，拱肋内力分布如图8所示。

图8 正装模型拱架内力分布图

对比图6和图8可以发现，经过一次倒拆—正装分析后，拱肋施工成桥内力已非常接近目标内力状态，说明初算位移预偏值已非常接近理论值。经过多次迭代计算，可以使初算值不断逼近理论值。

从以上分析还可以得出，倒拆模型与正装模型虽然满足在合龙工况下，力的边界条件一致，但由于结构体系的改变，必然导致位移边界存在差异，这是导致施工成桥内力分布较目标状态存在差值的原因。

（2）构件几何差异对结构内力的影响

不同的边支点预降值必然导致结构构件几何尺寸差异。为研究构件几何差异对拱肋内力产生的影响，本文分别建立了设置三种不同预偏位移量模型，主拱构件内力如表2所示。

表2 杆件几何差异对结构内力影响（轴力）

由表2可知，拱脚内力差值最大，跨中内力差值最小，最大值不超过2.3%。由此可得出，不同的位移补偿值导致的结构构件安装尺寸差异对结构内力产生的影响可忽略不计。

（3）施工位移预偏量确定

位移预偏量的设定应充分考虑施工过程中实际操作的可行性。选取目标成桥状态时，在满足控制拱肋施工状态应力的基本前提下，顶升支架的承载能力、千斤顶吨位、拱脚支座的预偏能力都应该做为设计师考虑的影响因素。例如，边支点顶升量越大，拱脚位移越大，过大的拱脚位移预偏量，将超出支座本身的滑动能力，导致施工方案无法实施；同时过大的顶升吨位，必然要求提高千斤顶吨位和顶升支架的承载能力，施工安全以及经济可靠性突出，将成为施工方案的重要控制因素。