异型斜靠式钢箱系杆拱桥仿真分析与施工监测

2024-01-25赵丹丹

福建交通科技 2023年9期

■赵丹丹

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

斜靠式钢箱系杆拱桥具有外形优美、桥下净空大以及能克服软弱地基环境等优点[1-3]，并且能通过内倾的边拱增强整体结构抗扭转和侧倾能力[4]。但其还有一个特点，即不同的施工方法会引起不同的成桥线形和结构内力。此外，结构自重、施工荷载、材料弹模、温度变化以及测量误差等因素，也会导致结构的设计值与实测值存在偏差。值得注意的是，某些偏差具有累积效应，若对偏差不及时加以有效的调整，结构的线形将显著偏离设计值，影响成桥的受力状态和线形，甚至造成合龙困难。因此该类桥在施工过程中需进行严格的施工监控。

本研究通过有限元模型计算和施工实时监测，对某异型斜靠式钢箱系杆拱桥施工过程中关键截面的线形、内力等指标进行跟踪监测，并通过理论值与实测值的比较和误差分析，对结构状态甚至施工方案进行必要的调整，以得到合理的结构线形，保证结构施工安全。

1 工程概况

某大桥采用斜靠式钢箱系杆拱桥，主拱跨径78.33 m，副拱跨径122 m，桥长112 m，桥宽44～53 m。上部主梁结构为三跨连续梁拱组合体系，跨径布置为（14.9+82.2+14.9）m，高度1.6～1.84 m。下部采用实体墩台，钻孔灌注桩基础，台后18.5 m 范围内路基设钢筋混凝土扶壁式挡墙。

横向按整幅布置，桥面宽度43～53 m，曲线变宽。具体布置为：（2～6.5）m（观景平台）+5.25 m（人行及非机动车道）+3 m （索区）+11.5 m （行车道）+0.5 m （隔离栏）+11.5 m （行车道）+3 m （索区）+5.25 m （人行及非机动车道）+（2～6.5）m （观景平台），双向六车道。桥梁布置图见图1。

图1 桥型布置图

2 有限元模型建立

有限元模型计算采用正装迭代计算，得到有限元模型各施工阶段主要部件的位移和应力，并根据计算结果对施工阶段的主桥拱肋和纵梁进行预拱度设置。

2.1 模型建立

采用有限元计算软件MIDAS/CIVIL 建立该桥有限元模型，对结构进行分析计算，有限元模型见图2。在有限元模型中，大桥主拱肋、副拱肋、横撑、纵横梁、桥墩、承台、系梁等构件均采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟。全桥共1 469 个节点和2 100 个单元。

图2 全桥有限元模型

2.2 计算参数

桥墩采用C50 混凝土，拱座采用C40 混凝土、承台系梁采用C35 混凝土。其主要力学性能指标如表1所示。拱肋和钢梁均采用Q345qC 结构钢；吊索采用Φ5 mm 低松弛预应力镀锌钢丝（fPK=1 770 MPa），规格为Φ5-121、Φ5-55、Φ5-37。

表1 混凝土材料参数

（1）结构自重：大桥含主拱、副拱、横撑、纵横梁、吊杆，均按照结构实际截面尺寸计入。钢结构及吊杆容重γ=78.5 kN/m3。（2）车行道桥面铺装：40 mm 高粘沥青玛蹄脂碎石混合料SMA10+30 mm厚RA05 树脂沥青混合料；吊索区桥面铺装：25～55 mm 高粘沥青玛蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 树脂沥青混合料；人非混行车道桥面铺装：25 mm 高粘沥青玛蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 树脂沥青混合料；观景平台铺装结构：25 mm 高粘沥青玛蹄脂碎石混合料SMA10+15 mm厚RA05 树脂沥青混合料。（3）全桥吊索区栏杆总重：43.1 kN；全桥双侧（中央分隔带）防撞护栏总重：186.8 kN；全桥单侧防撞护栏总重：285.5 kN。（4）汽车荷载：按城-A 级设计，双向六车道计算，考虑最不利情况，按各车道的影响线加载。布载方式、横向分布系数、纵向折减系数和汽车荷载冲击系数均按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[5]相关规定计入。（5）人群、非机动车荷载：按《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）[6]计算。

2.3 边界条件

大桥为斜靠式钢箱拱桥结构，主拱肋在拱脚处与桥面系纵梁固结，两片主拱肋间设置横梁连接，副拱拱脚锚固面埋入承台。在有限元模型中，边界约束条件根据实桥实际施工过程模拟建立，承台底均为固结，承台与桥墩采用刚性连接，主拱拱脚与纵梁节点直接单元连接，副拱拱座与副拱承台直接单元连接，球形钢支座采用弹性连接模拟简支边界，纵横梁支架及拱肋支架均采用仅受压边界模拟。

3 主桥受力分析

3.1 拱肋

二期恒载施工完毕，第二次张拉主拱吊索至目标索力后拱肋的内力、应力和位移如图3～4 所示。最大轴力为8 650 kN，最大正弯矩为3 090 kN·m，最大负弯矩为-133 kN·m，最大应力为-51.5 MPa；拱顶最大位移为-19 mm。

图3 拱肋内力及应力

图4 拱肋竖向位移

3.2 纵梁

二期恒载施工完毕，第二次张拉主拱吊索至目标索力后纵梁的内力、应力和位移如图5～6 所示。最大轴力为3 635 kN，最大正弯矩为3 659 kN·m，最大负弯矩为-8 025 kN·m，最大应力为-63.7 MPa；拱顶最大位移为-20 mm。

图5 纵梁内力及应力

图6 纵梁竖向位移

4 预拱度设置

设置施工预拱度主要是为了消除施工过程中各种荷载对线形的影响。预拱度一般由施工预拱度和经验预拱度组成，施工预拱度的设置主要是考虑施工过程中的自重变形，经验预拱度的设置主要是考虑后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力损失以及活载变形。

4.1 拱肋

施工过程中拱肋的竖向位移累计值取反号得到拱肋的施工预拱度，拱肋跨中最大施工预拱度为19.3 mm。在1/2 活载作用下拱肋位移呈双抛物线状，以拱肋跨中的位移为顶点绘制一条抛物线，该抛物线即为拱肋的经验预拱度。拱肋跨中经验预拱度为5.0 mm。将拱肋的施工预拱度和经验预拱度相加即为拱肋的总预拱度，如图7 所示，拱肋最大总预拱度为24.3 mm。

图7 拱肋总预拱度

4.2 纵梁

施工过程中纵梁的竖向位移累计值取反号得到纵梁的施工预拱度，纵梁跨中最大施工预拱度为19.5 mm。在1/2 活载作用下纵梁中跨位移呈双抛物线状，以纵梁跨中的位移为顶点、支座处为起点绘制一条抛物线，该抛物线即为纵梁的经验预拱度，纵梁跨中经验预拱度为9.6 mm。将纵梁的施工预拱度和经验预拱度相加即为纵梁的总预拱度，如图8所示，副拱肋最大总预拱度为29.1 mm。

图8 纵梁总预拱度

5 监测方案

5.1 纵梁线形测点布置

钢梁采用分段支架拼装，纵梁安装采用人工举杆方式进行安装精调到位。为精确监测纵梁后续施工节段的变形状况，设立能表征纵梁变形特点的控制截面，在每一控制截面顶板前、后端位置布置测点，测得其高程，并以有限元模型计算值为基准，在预期范围内调整测点高程。控制截面分别是小里程边跨L/4、L/2、3L/4，中跨L/4、L/2、3L/4，小里程边跨L/4、L/2、3L/4，为方便控制纵梁第一段安装，增加一端头控制截面，共计10 个控制截面，每个断面布设5 个测点，总计50 个测点。具体位置如图9 所示。

图9 纵梁线形测点布置示意图

5.2 拱肋线形测点布置

拱肋安装时必须保证拱肋轴线、高程和横桥向位置，使拱肋轴线、高程和横桥向位置控制在精度范围之内。拱肋安装采用人工举杆方式进行安装精调到位。为精确监测拱肋后续施工节段的变形状况，设立能表征拱肋变形特点的控制截面，在控制截面位置处布置测点，测得其高程，并以有限元模型计算值为基准，在预期范围内调整测点高程。钢结构拱桥的线形对于受力影响很大，为精确控制拱肋的空间位置，分别在每一吊杆对应拱肋截面下边缘布置测点，主拱共计13 个控制截面，每个断面布设1 个测点，两侧合计26 个测点，副拱共计19 个控制截面，每个断面布设1 个测点，两侧合计38 个测点，总计64 个测点。具体位置如图10 所示。