大跨度景观拱桥的施工监控研究

李林新

广东荣骏建设工程检测股份有限公司，广东 广州 510380

1 工程概况

进贤门特大桥主桥采用38m+50m+210m+50m+38m飞燕式无推力钢箱系杆拱桥，契合了“印象进贤、水上莲花”景观主题，桥型立面如图1所示，其中主拱、三角钢架、花瓶式桥墩均充满美观元素。主桥主孔跨径为210m，矢高约52.5m，矢跨比为1/4，悬链线拱轴系数为1.25，拱肋竖直面布置，两拱肋水平间距为34.1m。钢拱肋采用等高度的箱型截面，单拱肋19个节段，顶底板厚32～44mm，腹板厚28～36mm。拱肋采用5道钢横撑连接。主桥吊杆采用整束挤压式27-ϕ15.24、19-ϕ15.24环氧喷涂钢绞线拉索，HDPE护套（上端为整束挤压锚头、下端为穿销铰锚点），共32根吊杆，纵向间距为10.20m。采用单箱三室的流线型钢箱梁，中心高3.5m，全长173.9m，桥面总宽44.9m。主桥墩为矩形状，纵向8.5m、横向3.8m，前后斜腿采用预应力混凝土结构。

图1 桥型立面图

2 施工阶段划分

根据设计图纸与专项施工方案，将进贤门特大桥主桥施工总工序划分为19个施工监控阶段，如表1所示。

表1 施工阶段划分及内容

3 计算模型

3.1 仿真计算假定

采用空间有限元程序进行结构离散分析，对主桥施工全过程进行模拟。模型采用梁单元模拟钢箱梁、桥墩、桩基础，共划分1518个节点、1872个单元。静力计算模型如图2所示。

（1）截面模拟。①拱肋截面采用钢箱截面模拟，考虑箱梁内加劲肋。②钢箱梁截面模拟：典型钢箱梁截面采用钢箱截面模拟，考虑箱梁内加劲肋的作用，考虑截面横坡。③混凝土梁截面模拟：由于桥面过宽，预应力钢束配置根据各腹板区别配置；且混凝土三角钢架拱肋与梁体相连，为了准确模拟实际受力，混凝土截面采用梁格方式拆分主梁，两侧系杆拆分为2根主梁，中间箱梁作为1根主梁进行模拟。根据弯矩分配法，调整各截面的抗弯刚度，计算截面间的横向传递作用，保证截面抗弯刚度基本一致。④桥墩和桩基模拟：利用变截面拟合桥墩截面变化，根据实际集合尺寸模拟桥墩、承台及桩基。

（2）边界模拟。①边界条件处理：三角钢架采用满堂支架分段浇筑；主拱肋采用少支架吊装拼接。②成桥阶段：墩底固结，利用节点弹性支撑模拟桩土约束效应；边跨设置约束y、z方向；挂梁设置弹性连接，模拟支座刚度。

（3）荷载模拟。①自重：计算结构实际重量，根据单元结构尺寸、材料容重，自动计入程序中。对于钢箱梁中截面无法模拟到的横隔板等系列钢板，采用集中荷载施加在相应位置。②温度：利用程序自动系统升降温模拟结构整体温差的效应；对于非线性温度，考虑混凝土梁非线性温度的效应值。③风荷载：按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）第3.1条规定考虑。④景观廊桥荷载：上部设计有景观设施，转换成集中力荷载施加在相应位置。

3.2 参数计算

（1）计算单元。①主拱肋：用梁单元模拟，计入预应力荷载和P-Δ效应。②主梁：用梁单元模拟，计入预应力荷载和P-Δ效应。③桥墩：用梁单元模拟，计入P-Δ效应。④吊杆：用桁架单元模拟，计入弹性模量折减。⑤系杆：用桁架单元模拟，计入弹性模量折减。

（2）材料。依据相关设计指标及相关规范采用。

（3）荷载。一期恒载：主梁、主拱肋、三角钢架、吊杆、风撑等材料自重，按实际断面计取重量。二期恒载：桥面铺装、护栏、水管等附属设施重量，合计148.1kN/m。基础沉降（模型已计入桩基及墩身弹性变形）：边墩及过渡墩0.005m，主墩0.01m。汽车荷载：公路-Ⅰ级、8车道。温度作用：系统温度升25℃，降25℃，钢箱梁截面的梯度温差按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的有关规定计算。收缩徐变：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）附录F计算，其中年平均相对湿度RH为55%，收缩徐变计算至成桥通车后10年。风荷载：桥面风V10=25m/s、百年风V10=39.4m/s，各构件（钢箱梁、拱肋、吊杆、墩）风荷载按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）的相关规定计算。

3.3 测点布设方案

主桥施工监控测点布设如下：（1）主梁挠度测点截面13个，各截面3个挠度测点，共39个测点；应力测点截面9个，各截面6个应力测点，共54个测点。（2）拱肋挠度测点截面9个，各截面2个挠度测点（拱肋顶面各1个），共18个测点；拱肋应力测点截面9个，各截面4个应力测点（拱肋顶底面各2个），共36个测点。（3）推力墩变形坐标测点截面共2个，各截面1个变形坐标测点，共2个测点；推力墩应变测点截面共2个，各截面4个应变测点，共8个测点。

3.4 监控计算特点

该项目监控计算采用三种方法相结合来实现各施工阶段和成桥状况下的最优化控制目标。（1）逆向施工仿真分析。采用逆向施工仿真分析确定的施工参数为拱肋无应力下料长度、拱肋初始拼装线形、吊杆及系杆下料长度、主桥预拱度等。（2）正装分析。根据主桥施工方案进行逐节段计算分析，每一节段的结构形式、边界、荷载等都在变化，可在前一节段结构状态的基础上分析本次施工节段的结构状态。（3）优化分析。利用超静定结构杆件内力的可调性，定义一个特定的性能指标函数对主桥吊杆张拉顺序及张拉力、箱内系杆张拉顺序及张拉力进行内力优化分析。

4 计算结果分析

案例主桥施工工序繁杂，但施工工法成熟可靠。在经过对施工全过程的推导、模拟计算后，主要针对钢拱肋和钢箱梁的结果进行如下说明：（1）主拱拼装结束前采用支架施工，该阶段只要控制好支架预压工序，消除支架的非正常变形，就可为拱肋的合拢拼装创造有利条件。在这前部分过程中，拱肋处于无应力状态，主梁未进行施工。（2）主拱临时系杆张拉后，拆除支架，由两端向跨中逐段吊装主跨吊杆及钢箱梁，从CS13～CS19的全过程中，拱肋逐步开始承担主梁、吊杆、景观实施、二期荷载等自重荷载的作用。根据计算得到，该过程中主拱肋应力值在-73.50～38.30MPa，满足规范要求；钢拱肋拱顶截面的最大挠度计算值为-69.83mm，属正常范围。（3）钢箱梁在逐步拼装焊接后，陆续承受相邻节段及二期荷载的自重作用，钢箱梁应力值在-7.87～4.47MPa，均小于容许值，满足规范要求。（4）主桥配套景观设施结束后，钢箱梁在运营阶段承载能力极限状态下的最大应力值为30.36MPa，主拱肋在运营阶段承载能力极限状态下的最大应力值为216.8MPa，均小于容许值，满足规范要求。

5 结束语

进贤门特大桥是一座融合了地方文化底蕴的景观大桥，桥梁设计新颖且美观，设计理论成熟，施工安全可靠，为市政大跨度景观桥梁建设提供了参考。笔者采用有限元分析软件对进贤门特大桥主桥的全部工序进行模拟计算，对主控截面的挠度及应力、运营状态下的结构受力进行了计算分析。结果表明，主桥所采用的施工方案安全可行，运营状态下的结构受力合理，计算结果可作为指导现场监控测量工作的依据。