基于钢箱系杆拱桥大节段拼装施工监控技术研究

孙海鹏

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

钢箱系杆拱桥主要由拱肋、钢箱系杆、吊杆、横纵梁、横撑等构件组成。它是将梁和拱两种基本结构组合起来的拱式组合体系桥，具有结构稳定、造型美观、水平推力小的优点，在我国公路桥梁建设中占有着重要地位[1-2]。钢箱系杆拱桥多采用节段拼装法进行施工，先化整为零，后化零为整。将桥梁划分节段，在钢结构工厂预制成型后运至现场逐段拼装[3-5]。

然而，在实际施工过程中，由于系杆拱桥跨度较大，利用浮吊分大节段进行拼装，技术复杂、施工难度大，所以，在施工过程中开展安全、高效的施工监控就显得尤为重要[6-8]。近年来，国内外学者对于钢箱系杆拱桥在施工监控方面的研究也在不断地优化和完善。杨坳兰等[9-11]对施工过程中的大跨度钢箱系杆拱桥的内力和位移进行了分析、计算和预测，有效地控制了最终线形在设计允许的误差范围内。蒋宗全等[12]基于实际工程，分析了钢箱拱桥架设过程中线形控制的关键技术和主要架设过程，对大跨度钢箱系杆拱桥施工监控起到了一定的借鉴作用。狄生奎等[13]通过计算拱肋节段自重作用下弹性变形引起的下挠，确定了预抬高值，使得钢箱系杆拱桥拱肋节段吊装后线形满足要求。

另外，系杆拱桥结构受力复杂，施工阶段受力体系转化次数较多，系梁、拱肋、吊杆等构件难以实现精准分析。现阶段国内外学者多采用有限元软件进行结构分析，王福春等[14]利用Midas Civil 软件对拱肋、拱脚等应力集中部位进行了重点分析；张涛等[15-16]分析了不同温度作用下桥梁的挠度和纵向变形规律、变形机理等，为大跨下承式钢箱系杆拱桥的施工控制和性能评估提供了参考。

本文依托苏州市胜浦大桥改建项目，对大节段拼装系杆拱桥提出了系统性的监测方法。通过结构特点分析、线形控制、内力调整、模型计算相结合的方法，确保施工中结构的响应处在预期范围内。

1 工程概况

1.1 桥梁信息

如图1 所示，胜浦大桥主桥上部跨径布置为120+140 m 双跨简支下承式钢箱系杆拱，横向双幅。拱肋采用全焊钢箱结构，设两片拱肋。主桥计算跨径117/137 m，矢高23.4/27.4 m，矢跨比1/5，拱轴线线型为二次抛物线。拱肋中心横向距离25.9 m。120 m 主跨每侧拱肋各设置17 根吊杆，全桥共2×34 根，140 m 主跨每侧拱肋各设置20 根吊杆，全桥共2×40 根。

图1 胜浦大桥立面图

1.2 施工流程

胜浦大桥采用大节段拼装，利用浮吊在桥位处安装施工，如图2 所示，具体流程如下。

图2 胜浦大桥施工立面图

（1）钢管桩临时支撑施工。

（2）采用200 t 浮吊船将主桥120 m 跨系杆，横梁及桥面板分阶段吊装拼接后焊成整体。

（3）在系杆上搭设竖向格构支架，吊装拱肋节段及风撑节段，分段拼装、焊接成整体。

（4）拆除拱肋与系杆间临时支撑，安装吊杆。

（5）主桥140 m 跨采用相同方法施工。

（6）拆除临时支架，浇筑桥面铺装，安装伸缩缝及其他附属设施，交工验收。

2 施工监控主要内容

2.1 施工监测方法

结合本监控项目的实际情况，选用闭环控制方法。闭环控制法可以按照性能最优的原则对施工误差进行纠正和控制，使得误差已经发生的结构状态达到最优。其基本步骤如图3 所示。

图3 施工监控方法流程图

2.2 桥梁特点分析

胜浦大桥主桥为大跨径宽幅钢箱系杆拱桥，利用浮吊分大节段拼装，技术复杂、施工难度大。桥梁由钢箱拱肋、钢箱系杆并缀以吊杆，构成纵向受力体系。横梁、正交异性交面板及现浇层等构成桥面行车系。桥面恒载及活载通过横梁作用于系杆，并传给吊杆和拱肋。拱肋产生的不平衡水平推力通过系杆来承受。经分析认为，施工关键工序为拱肋系杆的预制及拼装成型和分步张拉吊杆力，其特殊的施工方式，使得结构有如下特点。

2.2.1 系梁线形控制难度大

使用大节段吊装，系梁节段跨度大。采用先在支架上简支安装，再焊接成形的方式施工，系梁在合龙后，会存在初始变形，如图4 所示。

由图4可知，采用先简支架设，再在支架上焊接的安装形式，系梁不可避免的会出现初始变形，这对成桥线形是非常不利的。因此，要确保胜浦大桥线形整体平顺、满足设计线形，就要根据大桥支架的布置情况，选择挠度较大的大节段，设置专门的节段预拱度，进而确保大桥成桥线形满足设计要求。120 m、140 m 跨径右幅桥梁局部施工预拱度设置如图5、图6 所示。

图4 胜浦大桥系杆变形

图5 120 m 跨径右幅局部施工预拱度设置

图6 140 m 跨径右幅局部施工预拱度设置

2.2.2 拱肋架设标高控制难度大

胜浦大桥的拱肋，采用在系梁上搭设支架，大节段吊装后再焊接的形式安装。在拱肋合龙之前，胜浦大桥的拱肋无法形成稳定受力的体系，拱肋的自重荷载等作用均需要由支架承担，而拱肋支架并非架设在可靠的地基上，而是在系梁上，部分支架架设在系梁节段跨中位置。在拱肋及支架自重荷载作用下，系梁会产生一定的下挠，进而引起拱肋的下挠，如图7 所示。

图7 胜浦大桥拱肋架设阶段位移示意图

2.2.3 大节段拼装结构存在初始应力

胜浦大桥的支架架设，与设计施工流程图中的支架相比较为稀疏。采用大节段拼装施工的方式，简支状态下的系梁不可避免的会出现下挠变形，在这种状态下，系梁焊接合龙，系梁的变形可以利用设置预拱度的方式消除，但系梁内力无法有效地消除。系梁在合龙状态下的结构初始应力如图8 所示。

图8 胜浦大桥系梁初始内力

结构过大的初始内力，会导致桥梁成桥状态下的内力较大。在桥梁运营后汽车荷载、温度荷载等活荷载的组合作用下，结构的应力幅可能较大。

2.2.4 钢结构温度敏感性的控制

胜浦大桥全桥为钢结构，钢结构桥梁对温度效应较敏感。受温度影响，结构会产生较大的位移。以120 m跨径孔成桥状态为例，在降温30℃的情况下，桥梁位移如图9 所示。

由图9可知，胜浦大桥成桥状态下，整体降温30℃的工况下，结构最大位移为43 mm。由此可见，胜浦大桥采用全桥钢结构的形式，温度引起的位移响应较大，对温度引起的位移有效预测和控制至关重要。此外，温度变化同样影响了胜浦大桥的监控测量工作，选择正确合理的测量时间是保证测量精度的重要条件。因此，胜浦大桥的监控测量工作拟选择在气温稳定的清晨，同时通过计算分析，排除温度荷载的影响。

图9 胜浦大桥在温度荷载下的位移响应

2.3 主桥结构变位监测

钢箱拱肋、系梁采用事先预制，再逐段安装的施工方法，其线形主要通过控制加工线形实现。

拱肋、系杆安装到位后，后续施工对其线形会产生影响，通过全站仪和水准仪对拱肋、系杆截面的坐标在每一工况后进行测量，测点顺桥向布置如图10 所示（以120 m 跨径为例），每拱肋在L/4、L/2、3L/4 和拱脚截面各设一个测点，横桥向布置在拱肋中心线上。两侧系杆在L/4、L/2、3L/4 截面各设一个测点，横桥向布置在系梁中心线上。

图10 120 m 跨径系杆拱桥位移测点布置（单位：mm）

根据上节分析可知，节段跨中处挠度较大，因此根据分结果补充测试截面（以120 m 跨径为例），如图11 所示。

图11 120 m 左幅外侧拱肋增设测试截面（单位：mm）

2.4 支架结构变位监测

为确保施工过程中临时结构的稳定，应开展支架变位监测，如施工过程中土体出现不均匀沉降能够及时发现预警。支架位移建议使用全站仪测量，测点布置如图12 所示（以120 m 跨径为例）。

图12 120 m 跨径支架位移测点布置（单位：mm）

2.5 应力监测

系杆在顺桥向选择拱脚、L/4、L/2、3L/4 截面作为应力控制监测，表面粘贴式应变传感器监测系杆上、下缘应力。拱肋各选取拱脚、L/4、L/2、3L/4 截面安装表面式传感器。测点布置如图13 所示。

图13 120 m 跨径系杆拱桥应力测点布置（单位：mm）

结合计算分析，针对跨径较大的节段，增设应力测试截面，如图14 所示。

图14 120 m 跨径系杆拱桥应力增设测试界面（单位：mm）

2.6 吊杆索力监测

吊杆索力的大小直接影响到主梁的线形和内力的分布情况。胜浦大桥主梁相对于主拱肋刚度较小，吊杆张拉力过大会使主梁变形过大，必须严格控制吊杆内力与设计相符。施工监控以主梁高程为辅助，吊杆索力为主，索力均匀无突变。吊杆索力采用索力动测仪或动态信号测试系统进行测试。

3 施工阶段有限元分析

3.1 有限元模型建立

本次计算分析针对胜浦大桥主桥上部结构，主要依据桥梁施工图设计文件，结合相关施工方案，进行桥梁结构承载能力极限状态验算、施工阶段验算及控制参数计算。全桥计算模型共有节点3 441个、单元7 126个，并按设计文件与施工方案划分施工阶段，计算模型如图15 所示（以120 m 跨径为例）。

图15 胜浦大桥主桥结构计算模型（120 m）

主桥材料：Q355D，容重78.5 kN/m3，弹性模量2.06×108 kN/m2。

吊杆：柔性索型号为7-55、7-73 镀锌平行钢丝，抗拉强度标准值1 670 MPa，弹性模量≥1.9×10 MPa。

3.2 施工阶段有限元分析结果

根据施工方案，将桥梁施工阶段在有限元模型简化为8个施工阶段，分别为系梁架设、安装横梁、安装第一段拱肋、安装第二段拱肋、拱肋合龙、安装风撑、吊杆安装并张拉、二期施工。

3.2.1 施工阶段位移分析

8个施工阶段位移分析如图16（a）-图16（h）所示。

图16 胜浦大桥施工阶段位移（120 m 跨径）

3.2.2 施工阶段应力分析

根据现有总体施工组织设计等文件模拟大桥施工过程。为保证钢构件施工过程具备一定的安全储备，参照JTG T D65-06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中施工阶段钢构件容许应力的相关要求，取施工阶段钢结构应力容许值为0.75fy=0.75×270=202.5 MPa。施工阶段结构应力包络图如图17、图18 所示。

图17 胜浦大桥施工阶段最大压应力包络图（-79.2 MPa）

图18 胜浦大桥施工阶段最大拉应力包络图（99.4 MPa）

通过上述分析可知，施工阶段结构应力最大为99.4 MPa，最小为-79.2 MPa，均满足规范要求。为桥梁后期顺利施工提供了理论技术支持。

4 结论

本文依托胜浦大桥的施工实例，通过桥梁特点分析、线形计算、内力控制，并结合有限元模型分析的方法，提出了一套系统的监控方法，为钢箱系杆拱桥大节段拼装的施工监控技术提供了完备的理论依据，确保了桥梁在施工过程中的结构相应处于设计允许的范围内。主要得到以下几点结论。

（1）本文通过有限元模型进行施工阶段计算分析，提取了大节段吊装系杆时，系杆处于简支状下的挠度，并以此预设施工预拱度，使得理论模型更加贴合实际，成桥线形更加准确。

（2）本文详细分析了桥梁结构特点，针对施工过程中的重难点，有针对性地提出了相应的施工监控内容，如临时支撑检测、温度检测等，为钢箱系杆拱桥的监控技术提供了新思路、新方法。

（3）通过施工全过程的跟踪分析计算可知，桥梁结构最大拉应力、压应力、挠度均在设计要求的范围内，