基于数值模拟控制的贵州省某系杆拱桥施工监控分析

李凡 厉佩佩

摘 要：系杆拱桥施工监控量测不仅能够保证整个施工过程按照设计意图成桥，还能减小施工过程中的安全风险，最大限度控制施工线形质量，优化结构内力状态。本文采用数值模拟方法对贵州省某系杆拱桥进行控制分析，根据分析结果对拱桥线形、拱肋应力（应变）和吊杆索力进行监控量测和设计优化，最终使桥梁结构内力和各项变形值符合设计要求，施工控制工作达到预期目的。研究方法和成果可供类似工程借鉴和参考。

关键词：系杆拱桥;监控量测;变形;施工控制

中图分类号：U445            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）08-0113-02

系杆拱桥作为一种梁拱组合体系，充分发挥了梁桥桥下净空大、对基础要求低和拱桥跨越能力强的特点。但是系杆拱桥内部为高次超静定结构，施工过程内力状态复杂多变，施工环境因素等在设计过程中也不可能完全考虑到，需要通过监测手段采集结构变形和内力信息，反馈到理论计算模型，并实时调整施工参数，指导现场施工，优化桥梁设计。数值模拟方法能够模拟结构在各个施工阶段的内力情况，可对施工阶段的额应力进行有效控制。通过查看结构变形，采用倒装分析方法可以计算每一阶段或每一施工过程的立模标高。在施工过程中，监控量测还可以及时纠正可能出现的施工偏差，防治因偏差累积过大而导致工程返工。通过数值模拟的计算结果指导系杆拱桥现场施工已经成为一种常用的、有效的施工监控量测方法。

1 研究工程概况

研究对象主跨为1～110m下承式系杆拱桥，系梁采用钢箱梁，钢箱梁翼缘板宽度为16.5m。拱肋采用箱型截面，拱轴线为二次抛物线。主跨计算跨径为110m，矢高f=22m，矢跨比f/L=0.2。系杆采用扁平流线形栓焊钢箱梁，箱梁宽8.5m，梁高1.24～1.30m。拱桥上下各设置一排吊杆，吊杆纵桥向间距均为4m，吊杆强度等级为1670MPa。桥梁设计荷载：城—A级，人群—3.5kN/m2。桥梁施工方法采用工厂预制，现场吊装焊接。如图1所示。

2 数值模拟计算

2.1 建立施工阶段模型

本桥采用Midas Civil有限元软件建立有限元分析模型（如图2所示）。根据设计资料，模型中钢材的抗压弹性模量取用2.1×105MPa，剪切弹性模量取用8.1× 103MPa，钢材的线膨胀系数取用1.1×10-5，钢材容重按照78.5kN/m3考虑，吊杆采用防腐拉索，外部环氧喷涂，内部钢丝弹性模量1.90×105MPa。模型中拱肋、纵梁、横梁均采用两单元来模拟，吊杆采用只受拉的桁架单元来模拟。

2.2 施工阶段分析

数值模拟施工过程可以划分为以下施工阶段：

（1）第1施工阶段在支架上焊接钢箱梁，加横隔板荷载，焊接端横梁。

（2）第2施工階段在钢箱梁上搭设支墩拼装拱肋，加拱肋之间横向风撑。

（3）第3施工阶段在支架上安装吊杆，加吊杆端头荷载，并拆除拱肋支墩。

（4）第4～16施工阶段为第一次索力张拉，纵向横向依次对称张拉吊杆。

（5）第17～29施工阶段拆除支架，第二次索力调整。

（6）第30施工阶段施工桥面二期恒载。

按照设计方案及施工组织设计所确定的施工工序，综合考虑各种设计参数，对施工过程进行详细地施工阶段分析，正装计算得到各施工状态下的结构应力（应变）和变形等控制数据，与设计相互校对确认无误后可作为系杆拱桥施工监控的理论控制指标。为了确保大桥的安全性，还有必要对大桥端横梁、拱肋与纵梁连接部位、吊杆与拱肋连接部位以及钢箱梁翼缘板等进行局部应力分析。

3 施工监控分析

施工监控测量伴随施工全部过程，由于现场环境复杂与设计理想状态可能存在不一致以及施工的误差，桥梁施工各阶段控制参数与理想状态计算值会有差异，施工过程中要对这些参数进行识别。在关键施工工序关键截面处通过对影响结构安全性和稳定性的变量（线形、应力、内力等）实测值与理论值的比较，识别参数偏差，分析偏差原因，并进行调整。对于比较重要的设计参数偏差，应及时提供给各参建单位，提请是否组织专家论证并修改设计参数。对于一般的参数偏差，监控单位可通过软件计算优化进行调整。本桥主要施工监控内容包括：桥面钢箱梁架设高程控制分析、拱肋拼装线形控制分析、拱肋合拢应力（应变）控制分析、吊杆张拉索力[3]控制分析、成桥状态应力（应变）和线形控制分析。

通过有线元数值模拟计算和现场施工监控量测，对比理论控制数据和实测数据，成桥后钢箱梁实测高程与理论高程的最大差值为25mm，拱肋实测高程与理论高程的最大差值为12mm，轴线偏位最大值为5mm，符合设计要求。

对跨中部分吊杆索力进行抽检，实测索力与理论索力的最大偏差为15.6%，考虑仪器测试误差和人为因素影响，评定成桥后的吊杆索力基本满足设计要求。

4 结论

通过对系杆拱桥施工过程中和成桥后采集到的各种数据进行处理，并与设计的数据做了对比，该系杆拱桥实测应力结果、高程和挠度数据大部分小于理论计算值，极少数吊杆索力值略超过了理论控制值，但超出的比例较小，在可控范围之内，吊杆成桥索力基本满足设计要求。桥梁在施工过程中钢箱梁和拱肋变形稳定，应力数据合理，证明整个监控过程安全、有效、可控。通过开展施工监控量测工作，系杆拱桥施工过程较为顺利，理论控制指标与实测数据相互印证，充分说明结构设计的合理性。结构内力和各项变形指标基本满足设计要求，说明施工质量达到了预期目标。

参考文献：

[1]李凡.钢箱系杆拱桥施工监控与仿真分析[D].贵州大学，2015.

[2]曾剑.先简支后连续梁的结构特性及施工研究[D].重庆交通大学，2007.

[3]黄永辉. 钢管混凝土拱桥拱肋病害机理与影响分析及吊杆更换技术研究[D].华南理工大学，2010.