下承式钢桁架拱肋施工技术优化分析

姚 青，徐伟忠，李清岭，马海英

[1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065；2. 同济大学，上海市 200092]

0 引言

钢桁架拱桥造型美观、跨越能力强，具有良好的景观效应。随着我国钢材质量和产量的提高，未来修建大跨度钢桁架拱桥具有良好的前景。拱桥的常见施工方法主要有拱架施工、缆索吊装施工、塔架斜拉索施工、转体施工和整体吊装施工[1-2]。

拱架施工一般应用于没有河道通航要求或道路通行要求较低的桥梁。这种施工方法的优点是体系的受力较明确，施工技术较成熟，不需要动用大型吊装设备，且较容易安装横撑、斜撑和控制其拱轴线，施工过程简单[3]。这种施工方法的缺点是支架法较小的拱肋分段，也导致拱肋接头较多，所以焊接的工作量较大，工期较长，且支架施工法对桥梁下面的地形地貌、地基情况有着较高的要求，不适合大跨径桥梁的施工，只能用于小跨径、拱肋离地面不高、不通航或通航要求不高、桥下无水或水位不深、施工条件较好的情况[3]。

缆索吊装施工是拱桥无支架施工方法之一[4]。缆索架桥设备由于具有跨越能力大、水平和垂直运输机动灵活、适应性广、施工也比较稳妥方便等优点，尤其在修建大跨径或连续多孔的拱桥中，更能显示这种施工方法的优越性。但是，缆索吊装施工要求施工设备较多，对施工的技术要求较高，而且用的材料也要增加。塔架斜拉索施工也是一种无支架的施工方法。这是国外采用最早、最多的大跨径钢筋混凝土拱桥无支架施工的方法[2]。塔架斜拉索法一般多采用悬浇施工，也可用悬拼法施工，但后者用得较少。

拱桥转体施工是一种适合单跨拱桥的施工方法[5-6]。拱桥的转体施工法，根据其转动方位的不同，可分为竖向转体、平面转体和平竖结合转体3 种。转体施工法避免了有支架法无法用于山谷和深水地形的情况，减少了高空作业，施工速度快，费用低。同时提高了桥梁的安全性，确保了桥梁的施工质量。但是转体施工法也有明显的缺点，即施工跨径不能过大；否则会造成施工难度增大、经济效益下降[7]。

整体吊装施工适用于下承式与中承式钢管混凝土拱结构方案[8]。整体吊装法的优点有：不在水中设临时支架、不影响通航，无水中支架费用；充分发挥钢管拱的作用，完成上部结构施工；适用下承式与中承式拱式组合桥。整体吊装法也有缺点：节段过长需要大型起吊设备，吊装过程中的安全和稳定问题突出。

关于运用有限元软件进行拱桥施工方法的研究，郭玉龙[9]利用Midas 软件建立了纳界河钢桁架拱桥的有限元模型，研究了悬臂拼装过程中索力的控制；彭小明[10]利用Midas 软件建立了重庆朝天门大桥悬臂施工的有限元模型，进行了桥梁运营状态下的静力分析；王德洪[11]利用桥梁博士软件模拟了某大跨度钢桁架拱桥架梁吊机的施工过程，进行了相关施工控制分析；刘旭[12]利用ANSYS 软件建立了横琴二桥悬臂施工的有限元模型，研究了施工过程中索力和压重控制。

本文采用Midas 软件进行建模分析，对不同施工方法的拱肋结构性能进行研究，比较长节段吊装施工的优势，可为拱肋快速化施工提供参考。

1 工程概况

本项目背景工程平申线航道（上海段）整治亭枫公路桥工程主桥为分离式两幅桥布置，先施工北幅新桥、老桥维持交通，北幅新桥建成后拆除老桥再建设南幅新桥。主桥为30 m+120 m+30 m 下承式连续钢桁架拱桥，分离式两幅桥布置并在两幅桥中间设置人行道，桥宽2×18.25 m+3.15 m。每幅桥有两榀桁架，桁架间采用5 道风撑连接。桥面梁采用钢梁与混凝土桥面板组合梁，两者通过剪力钉结合。其中，纵向系梁、横梁和小纵梁共同组成钢梁格体系。拱肋和主梁施工方案的选择直接影响成桥后桥梁的安全使用及寿命。桥梁整体模型渲染图如图1 所示。

图1 亭枫公路桥模型渲染图

本文以亭枫公路桥为背景，通过综合对比不同施工方法对成桥状态的影响，以及施工成本、周期等内容，选择适合本跨径的施工方法，并对相似跨径的钢桁架拱桥提供借鉴。

2 有限元建模

结合项目背景，为了防止对河道的通航产生影响，现初步拟定3 种拱肋施工方案，分别为整体吊装施工、平面转体施工和长节段吊装施工。在Midas 软件中建立3 种拱肋施工方案的有限元模型。

2.1 整体吊装施工

整体吊装的施工方法是首先在河岸两端满堂支架对边跨进行施工，之后将预制好的拱肋运至相应部位后进行整体吊装；拱肋施工完成后张拉临时系杆，之后进行桥面系钢结构的施工；最后安装桥面板。在进行有限元建模的过程中，拱肋施工的主要步骤有：（1）边跨施工；（2）拱肋整体吊装到位；（3）拱肋合龙；（4）张拉临时系杆；（5）拆除临时支撑。整体吊装施工拱肋的施工示意图如图2 所示。

图2 整体吊装拱肋施工示意图

2.2 平面转体施工

平面转体的施工方法是首先将边跨平行于河岸满堂支架施工；其次，将拱肋在岸边施工完成后，先在竖平面内转动至指定高度与边跨连接，再将拱肋和边跨一起转动至指定位置，左右两个悬臂段全部旋转到位后进行合龙施工；合龙后张拉临时系杆，之后进行桥面系钢结构的施工；最后安装桥面板。在进行有限元建模的过程中，拱肋施工的主要步骤有：（1）边跨施工；（2）两侧拱肋对称施工；（3）绕拱脚旋转到位；（4）拱肋合龙；（5）张拉临时系杆；（6）拆除临时支撑。平面转体拱肋施工示意图如图3 所示。

图 平面转体拱肋施工示意图

2.3 长节段吊装施工

与整体吊装不同，长节段吊装的施工方法可以先满堂支架施工边跨部分，之后在通航孔的两侧设置临时支架，直接搭设部分拱肋；将通航孔上方的拱肋在工厂预制好后，将两侧拱肋分别吊装至指定位置后，将它们与之前搭设好的拱肋相连，并加装拱顶的风撑；合龙后张拉临时系杆；之后进行桥面系钢结构的施工；最后安装桥面板。在进行有限元建模的过程中，拱肋施工的主要步骤有：（1）边跨施工；（2）悬臂段施工；（3）节段吊装到位；（4）拱肋合龙；（5）张拉临时系杆；（6）拆除临时支撑。长节段吊装拱肋示意图如图4 所示。

图4 长节段吊装拱肋施工示意图

3 计算结果分析

3.1 反力

表1 是3 种施工方法下反力大小和相关设备使用情况的对比。

表1 反力对比

通过3 种施工方法的对比可以看出，平面转体施工的支点反力较大，且采用的设备不同于吊装施工。两种吊装施工方法中，整体吊装施工由于反力较大，需要采用设备数量更多、起重重量更大的浮吊。

在施工组织方面，平面转体施工在竖平面转动和平面转动的过程中需要2 台卷扬机同时工作，保证拱肋不会扭转；在合龙过程中需要4 台卷扬机同时工作，保证两侧拱肋高度相同。整体吊装过程中，拱肋上一共有8 个吊点，需要4 台浮吊同时进行吊装。长节段吊装过程中，只需要2 台浮吊同时吊装就可以完成施工过程的要求。

在施工成本方面，平面转体因为塔架需要现场施工且不能循环利用，因此前期投入会很大。吊装施工的设备都可以通过租赁获得，与长节段吊装相比，整体吊装每台浮吊的起重质量大于长节段吊装浮吊的起重重量，并且整体吊装需要的浮吊数量是长节段吊装的2 倍。因此，整体吊装施工时，拱肋的施工成本是长节段吊装施工的2 倍以上。

在施工周期方面，平面转体施工由于拱肋自重较大，旋转速度较慢，一般需要用时10 d 左右。整体吊装施工由于吊装部分自重较大，吊装速度较慢，吊装过程大致需要2～3 d。长节段吊装施工充分利用河道通航孔的信息，最大程度减轻了吊装重量，吊装过程可以缩短至1～2 d。

3.2 位移

结构的位移分为绝对位移和相对位移。结构的绝对位移是指结构各部分相对于原始结构的位移，主要影响成桥后拱肋的形状。结构的相对位移是指将要连接起来的两部分结构之间的相对位移，主要对结构的合龙状态产生影响。

3.2.1绝对位移

表2 是结构绝对位移数值和最大绝对位移产生的阶段和位置的对比。

表2 绝对位移对比

通过3 种施工方案下结构绝对位移的对比可以看出，3 种施工方案拱肋施工过程中的最大竖向位移均发生在跨中附近，平面转体施工的竖向位移比另外两种施工方法稍大一些，长节段吊装施工与整体吊装施工竖向位移相差不大。

3.2.2 相对位移

表3 是结构相对位移数值和最大绝对位移产生位置的对比。

表3 相对位移对比

通过3 种施工方案下相对位移的对比可以看出，平面转体施工由于施工过程中体系转换的不同，会造成较大的相对位移；长节段吊装施工的相对位移比整体吊装施工的相对位移大。

3.3 内力

表4 是结构内力的最大值及最大值出现的阶段及位置的对比。

表4 结构内力对比

由上面数据对比可得，上弦杆最大负弯矩整体吊装与长节段吊装相差不大，均大于平面转体施工；最大正弯矩整体吊装与长节段吊装相差不大，均小于平面转体施工。下弦杆最大负弯矩整体吊装施工最小，平面转体和长节段吊装相差不大；最大正弯矩平面转体施工最大，整体吊装与长节段吊装相差不大。

3.4 应力

3.4.1 施工阶段应力

对于整体吊装来说，拱肋的施工过程包括边跨施工、整体吊装2 个阶段。在这个2 个阶段中，应力最大值出现在吊装的过程中，位置位于风撑上，最大拉应力为26.8 MPa，最大压应力为26.4 MPa。

对于平面转体来说，拱肋的施工过程包括边跨的施工、拱肋的张拉和整体的转动3 个阶段。在这3个过程中，应力最大值出现在转动的过程中，最大拉应力为68.8 MPa，最大压应力为52.1 MPa。

对于长节段吊装来说，拱肋的施工过程包括边跨施工、悬臂段的安装和长节段的吊装3 个阶段。在这3 个阶段中，应力最大值出现在悬臂段的安装过程中，最大拉应力为41.7 MPa，最大压应力为28.3 MPa。表5 为3 种施工方案在拱肋的施工阶段出现的最大应力的对比。

表5 施工阶段应力对比

通过对3 种施工方案的施工过程结构应力的对比可以看出，平面转体施工在施工过程中应力最大，整体吊装施工在施工过程中应力最小。

3.4.2 合龙阶段应力

对于整体吊装来说，可以将合龙、张拉临时系杆和拆除临时支撑作为拱肋合龙的过程。在这3 个过程中，最大拉应力出现在拆除临时支撑的过程中，最大拉应力为28.6 MPa，最大压应力出现在合龙的过程中，最大拉应力27.3 MPa。

对于平面转体来说，可以将合龙、张拉临时系杆和拆除临时支撑作为拱肋合龙的过程。在这3 个过程中，最大拉应力出现在合龙的过程中，最大拉应力为42.6 MPa；最大压应力出现在合龙的过程中，最大拉应力38.8 MPa。

对于长节段吊装来说，可以将合龙、张拉临时系杆和拆除临时支撑作为拱肋合龙的过程。在这3 个过程中，最大拉应力出现在合龙的过程中，最大拉应力为40.1 MPa；最大压应力出现在合龙的过程中，最大拉应力39.4 MPa。

表6 为3 种施工方案在拱肋的合龙阶段出现的最大应力的对比。

表6 合龙阶段应力对比

通过对3 种施工方案合龙过程中的应力进行对比，整体吊装施工合龙过程中应力最小，平面转体施工和长节段吊装施工合龙过程应力差别不大。

3.4.3 成桥状态应力

根据有限元模型计算结果可以得到，整体吊装施工成桥后最大拉应力为119.7 MPa，最大压应力为119.2 MPa； 平面转体施工成桥后最大拉应力为120.2 MPa，最大压应力为121.7 MPa；长节段吊装施工成桥后最大拉应力为119.8 MPa，最大压应力为120.6 MPa。

表7 为3 种施工方案在拱桥的成桥状态下出现的最大应力的对比。

表7 成桥状态应力对比

通过对3 种施工方案成桥后应力状态的对比，3种施工方案成桥应力大小差别很小。

4 结论

根据结果对比，可以得出以下结论：

（1）在成桥应力方面，3 种施工方案的成桥应力相差不超过5%，可以认为施工方案的选择不会对成桥应力产生影响。

（2）转体施工时拱肋的位移较大，其他2 种吊装施工方法施工过程中拱肋位移相差不大，优先选用吊装施工方法。

（3）3 种施工方法施工过程中内力变化不同，但极值相差不大。

（4）3 种施工方法在施工反力上的差别导致了在施工设备、施工组织、施工成本和施工周期等方面产生的差别。其中，长节段吊装施工具有较为明显的优势，是本桥快速化施工的优势方案。