外倾式钢拱桥施工控制关键技术.pdf

165020238BuildingConstructionMUNICIPNGINEERING政市程外倾式钢拱桥施工控制关键技术段鼎昊上海市政建设有限公司上海200126摘要：某新建外倾拱桥采用主桥跨径6 9.5 14m的下承式组合梁钢系杆拱桥，采用先梁后拱分阶段逐步安装的施工方法。为确保成桥内力及线形满足设计要求，使用Midas/Civil有限元软件建立桥梁计算模型，基于倒拆和正装计算法开展施工控制。针对施工过程结构变形大、拱肋空间定位精度要求高、拱端张拉空间小及张拉设备数量限制、施工过程边界条件复杂等特点，结合施工关键工序研究，采用钢梁预拱度匹配制造、拱肋整体吊装、吊杆分批张拉、成桥后二次调索等关键控制技术，实现了拱肋快速精准定位，确保了结构受力安全和线形控制。施工控制结果表明：实测线形与设计线形吻合，索力偏差小于5%，满足设计要求，成桥状态良好。关键词：下承式系杆拱桥；组合梁；倒拆和正装计算法；预拱度；索力；施工控制中图分类号：U448.22+5文献标志码：A文章编号：10 0 4-10 0 1(2 0 2 3)0 8-16 5 0-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.045KeyTechnologiesforConstructionControlof Externally Inclined SteelArchBridgesDUANDinghaoKey Construction Control Techniques for main Bridge of Nan Heng Yin River Bridge in Chongming District,Shanghai 200126,ChinaAbstract:A newly built externally inclined arch bridge adopts a through type composite beam steel tied arch bridge with amain bridge span of 69.514 meters.The construction method of gradually installing the beam and arch in stages is adopted.To ensure that the internal force and alignment of the completed bridge meet the design requirements,a bridge calculationmodel is established using Midas/Civil finite element software,and the construction control is carried out based on the reversedismanting and formal installation calculation methods.As to the characteristics of large structural deformation during theconstruction process,high requirements for spatial positioning accuracy of arch ribs,small tension space at the arch end,limited number of tensioning equipment,and complex boundary conditions during the construction process,combined withresearch on key construction processes,key control technologies such as steel beam pre arch matching manufacturing,integral lfting of arch ribs,batch tensioning of suspension rods,and secondary cable adjustment after bridge completion areadopted to achieve rapid and accurate positioning of arch ribs.The safety of structural stress and linear control are ensured.The construction control results indicate that the measured alignment matches the designed alignment,with a cable forcedeviation of less than 5%and meeting the design requirements,and the bridge is in good condition.Keywords:through type tied arch bridge;composite beam;reverse dismanting and formal installation calculationmethod;pre-camber;cable force;construction control1工程概况某外倾拱桥设计车速6 0 km/h，设计荷载公路-I级，人群荷载按JTGD60一2 0 15 公路桥涵设计通用规范取用。该外倾式拱桥主桥为跨径6 9.5 14m的下承式组合梁钢系杆拱桥，见图1，其端横梁牛腿上设置引桥支座，引桥采用跨径3 0.5 3 2.0 m小箱梁。主桥采用整幅布置，标准桥宽2 9.5 m，钢主梁结构宽3 5.0 7 9 m，由主纵梁、中横梁、端横梁、小纵梁组成双主梁梁格体系，钢主梁材质为Q345qD。钢梁两侧主纵梁采用箱形截面，跨中尺寸为作者简介：段鼎昊（19 8 4一），男，本科，工程师通信地址：上海市浦东新区耀华路2 5 1号（2 0 0 12 6）电子邮箱：3 3 5 2 9 6 7 45 收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 52.037m（宽）1.8 m（高），拱脚处尺寸为2.0 3 7 m（宽）2.8m（高），主纵梁中心距为3 2.6 m。每个主纵梁分为3 段吊装，中间段重6 3 t，其余两段均重44t。图1外倾拱桥效果图拱肋采用二次抛物线，外倾角为11，拱肋为矩形截面，宽2 m，断面沿抛物线变化，跨中高1.5 m，拱脚处建筑施工第45 卷第8 期1651段鼎昊：夕外倾式钢拱桥施工控制关键技术高2.2 m，每侧拱肋分为3 个节段（质量分别为3 7、45、37t），在现场格构式平台上完成焊接拼装。全桥共设10对吊杆，间距6 m。吊杆采用PES7(C)-109平行钢丝成品索（标准强度16 7 0 MPa），上端为张拉端，下端采用耳板与主纵梁连接。每个主纵梁布置4根规格为15.2 mm的环氧涂层钢绞线（标准强度18 6 0 MPa）。桥面板采用预应力混凝土桥面板，设计混凝土强度C50，端横梁处板厚3 40 mm，其余板厚2 6 0 mm。为确保成桥后结构内力及线形满足设计要求，对该桥进行施工监控。施工监控主要难点在于确定合理的成桥目标状态，钢梁制造、施工至成桥各阶段累积误差的控制、吊杆索力与主梁线形控制。因此，采用有限元软件进行施工过程模拟，基于倒拆 2 和正装 3 计算拟定合理的成桥目标状态，并对钢梁制造、架设和拼接，拱肋整体吊装以及吊杆分批张拉等进行施工控制。2施工控制分析2.1有限元模型采用Midas/Civil建立全桥空间有限元模型（图2），对施工过程进行模拟，以确定合理的成桥目标状态。拱肋、纵梁、横梁均使用梁单元模拟，吊杆和水平系杆使用只受拉桁架单位模拟。模型共5 6 3 个梁单元，2 2 个只受拉桁架单元。按实际施工模拟施工过程，共2 3 个施工阶段。施工期间的主纵梁支架采用只受压支承模拟，永久支座采用一般支承模拟，全桥共4个支座（1个固定支座，2 个单向滑动支座，1个双向滑动支座）。图2外倾拱桥主桥有限元模型横向构件和吊耳质量以荷载形式进行模拟，以确保模型计算支反力与材料总重相等。模型中整体坐标系以顺桥向为X轴、横桥向为Y轴、竖向为Z轴。2.2成桥目标状态钢梁纵断面按基准温度18 设计，以主跨中心为对称点设竖向半径为16 0 0 m的圆曲线，考虑1/2 活载预拱度设计，即成桥目标线形等于设计线形与1/2 活载预拱度之和。在确定了成桥目标线形后，按线形和索力双控原则，考虑混凝土收缩徐变对成桥内力及线形的影响，采用正装法计算成桥线形及索力。经计算，基准温度下设计和成桥目标线形见图3（横坐标0 点为P3墩处），成桥目标索力见图4。成桥目标线形与设计线形相差0 9 mm，成桥目标索力与设计索力偏差在3%以内。11.00010.80010.600口10.400口10.200口10.0009.80029.600010203040506070坐标X/m一设计线形（道路中心线）一口一成桥目标线形（道路中心线）一公一设计线形（上游主纵梁顶面）一成桥目标线形（上游主纵梁顶面）一涨一设计线形（下游主纵梁顶面）一一成桥目标线形（下游主纵梁顶面）图3基准温度下设计线形和成桥目标线形20001500N/4半1000500S1S3 S5 S7S9X1X3X5X7X9吊杆编号图4万成桥目标索力2.3拱肋吊装目标状态确定拱肋吊装目标状态是拱肋吊装的控制基础，决定了成桥后的拱肋姿态。拱肋设计外倾角11，拱轴线中心至拱脚点连线的竖直高度15 m，拱轴线中心至拱脚点连线的水平距离2.9157m。通过正装计算确定拱肋吊装至成桥的拱轴线中心累计位移（竖向累计位移一2 5.4mm，水平累计位移一9.4mm），设计拱肋几何参数减去拱轴线中心累计位移即为拱肋吊装目标状态，拱肋吊装目标外倾角为11.0165，拱轴线中心至拱脚点连线的竖直高度：设计成桥状态为15.0 0 0 m，拱肋吊装目标状态为15.0 2 5 4m。拱轴线中心至拱脚点连线的水平距离：设计成桥状态为2.9157m，拱肋吊装目标状态为2.9 2 5 1m。拱肋吊装目标状态与设计成桥状态的外倾角相差0.15%。3施工控制关键技术3.1主梁施工控制技术3.1.1三主纵梁线形控制1）支架预压。为消除支架变形对主梁线形的影响，主纵梁施工前，按1.1倍施工荷载对支架进行预压，其中施工16522023.8BuildingConstruction段鼎昊：外倾式钢拱桥施工控制关键技术荷载为施工过程支架最大支反力与施工设备荷载之和，按照实际预压变形确定支架立模标高。2）设置预拱度。预拱度计算考虑以下因素：恒载（一期、二期）、收缩徐变、1/2 活载。钢梁加工时应考虑道路竖曲线的影响。钢梁节段按设计要求在工厂预拼装，预拼装时，记录节段两侧焊缝间隙；设置阶梯形拼接口，即顶板、底板与腹板相互错开2 0 0 mm，以保证现场拼接时码板的牢固焊接。3）温度控制。减小温度场对结构变形影响，选择凌晨时段或温度场相对稳定的阴天进行监控。3.1.2钢梁节段架设钢梁节段施工工序：起吊阶梯方式对接钢梁定位码板临时固定钢梁焊接重复下一节段施工。3.2拱肋施工控制技术3.2.1现场拼装技术拱肋节段在格构式平台上进行拼装，格构平台选用HW300mm300mm10mm15mm型钢，型钢之间用100mm100mm8mm角钢连接，格构式平台满足拱肋预拱度要求，且整体平整度3 mm。3.2.2整体吊装技术拱肋设计外倾角11，无法在桥面搭设拱肋支架，且在河中搭设支架分段吊装很难保证拱肋拼接精度，故采用整体吊装技术。为确保拱肋整体吊装过程中的空中姿态保持目标外倾角11.0 16 5，避免与拱脚拼接时二次调整外倾角，采用拱肋重心控制法，具体如下：建模计算拱肋的重心位置，见图5；过重心作起吊线并与拱轴线夹角为11.0 16 5；在重心上方的起吊线上对应相邻横隔板处布置2 个吊耳，见图5（a），每个拱肋左右对称布置共计4个吊耳。起吊线拱轴线11.016518.216m吊耳E4.123吊耳重心418.216m（a）拱肋侧立面（b）拱肋投影正立面图5 拱肋重心及吊耳位置在整个吊装过程中，拱肋始终保持11.0 16 5 的目标外倾角，就位后与拱脚采用码板连接，并采用卷扬机牵引拱顶与另一侧的主纵梁，保证拱肋与拱脚焊接过程的稳定。3.3吊杆施工控制技术3.3.1吊杆下料长度计算吊杆下料长度计算公式见式（1），其中，调整索长等于拱肋、主梁的预拱度设置引起的拱梁锚固点间距的变化量。L=L,-L+L(1)式中：L一设计索长（有应力）：Le成桥目标索力作用下吊杆弹性伸长量；L一调整索长。利用式（1）计算上游吊杆的下料长度，结果表明：对于短吊杆，其成桥目标索力作用下吊杆弹性伸长量与拱肋、主梁的预拱度设置引起的拱梁锚固点间距的变化量较为接近；对于长吊杆，成桥目标索力作用下吊杆弹性伸长量大于拱肋、主梁的预拱度设置引起的拱梁锚固点间距的变化量；随着吊杆长度增大，两者差值越来越大。吊杆有应力索长等于吊杆无应力索长与成桥目标索力作用下吊杆弹性伸长量之和。下游吊杆与上游吊杆规格相同且对称布置，下料长度与上游吊杆相同。3.3.2初张拉索力采用倒拆法计算初张拉索力 4，首先，建立满足成桥目标线形、索力等状态的有限元模型；然后，按照倒序依次钝化相应的吊杆，获得该状态下下一次将被钝化的吊杆内力，该内力即为按照桥梁正常顺序施工时应当施加的吊杆初拉力；最后，利用上述倒序所求的吊杆张拉力对桥梁进行正装计算，判断成桥索力与目标索力是否小于允许值，若不小于允许值则需进行正装迭代计算，并判断各施工阶段的结构状态是否安全。3.3.3成桥二次调索初张拉过程中伴随着梁与临时支架逐步脱开，其边界条件不断发生变化，实际施工过程中，临时支架会发生不同程度的非弹性变形，使得初张拉工况后的实际吊杆索力与理论计算值存在较大差异。为确保成桥状态结构内力和线形满足设计要求，需进行二次调索。二次调索完全在结构体系内进行，可使用影响矩阵法 5 进行正装计算，若结构满足线性叠加原理，则有：P+AT=Pm(2)m式中：P。索力调整前各吊杆的内力矩阵；A一索力影响矩阵；T-各吊杆需施加的索力增量，吊杆张拉控制力为索力增量T与各吊杆在张拉前已有的索力之和；建筑施工第45 卷第8 期1653段鼎昊：外倾式钢拱桥施工控制关键技术P各吊杆目标索力；m由式（2）可可得吊杆索力增量为：T=A-(Pm-Po)(3)具体求解步骤如下：1）建立有限元模型，求得吊杆索力影响矩阵。2）通过索力测试获得张拉前的吊杆内力Po，并由式（3）得到索力增量T。3）将索力增量T转化为吊杆张拉控制力，对桥梁进行正装计算，并判断各施工阶段的结构状态是否安全。3.3.4分批分级对称张拉吊杆关于结构中心线和跨中对称，对称分布的2 对吊杆张拉索力相等，每一批对称张拉4根吊杆，分为5 批张拉。每一批吊杆索力分级张拉，以2 0%为一级。吊杆张拉后，采用频率法和油压法同时测试4根吊杆索力，互相校核，并利用油压法实测索力对频率法的计算索长进行修正。4施工控制结果分析成桥后对主梁线形及索力通测，实测成桥线形与成桥目标线形偏差见图6。6一道路中心线口一上游主纵梁顶面5口一公一下游主纵梁顶面4口3口2A口口1O-1-2口口-3-4-5010203040506070坐标X/m图6实测成桥线形与成桥目标线形偏差由图6 可知：主梁整体线形平顺，实测主梁线形与成桥目标线形吻合，偏差满足验收标准 6-7 。其中，道路中心线、下游主纵梁顶面偏差范围一44mm；上游主纵梁顶面偏差范围一3 5 mm。实测成桥索力与设计索力偏差一5.0%4.9%，均在5%以内，满足施工验收标准。实测最大索力15 3 4kN、最小索力117 1kN，推算成桥索应力2 7 9 3 6 6 MPa，考虑基本组合后吊杆索应力最大为5 2 7 MPa，P ES7(C)-10 9 平行钢丝成品索的标准强度16 7 0 MPa，考虑安全系数2.5，则最大容许应力6 6 8 MPa，满足设计要求，结构受力安全。由拱肋外倾角偏差可知，采用拱肋整体吊装技术后，拱肋吊装工况：外倾角与目标值偏差一0.0 5 ，拱轴线中心至拱脚点连线的竖直高度偏差一1.1mm，拱轴线中心至拱脚点连线的水平距离偏差一0.4mm；成桥后：外倾角与目标值偏差一0.2 9 ，拱轴线中心至拱脚点连线的竖直高度偏差2.1mm，拱轴线中心至拱脚点连线的水平距离偏差一0.9 mm，满足施工控制要求。5结语新建外倾拱桥主桥采用先梁后拱分阶段逐步安装的施工方法，施工中基于倒拆和正装计算法进行施工控制。建立全桥倒拆和正装有限元模型，通过倒拆计算确定初张拉索力，通过基于索力影响矩阵的正装计算确定成桥二次调索索力。主桥主要采用预拱度匹配制造、支架预压、钢梁节段架设、靠码固定拼接、拱肋整体吊装、吊杆下料长度控制、分批分级对称张拉等关键控制技术，实现了拱肋快速精准定位、主梁精准拼接，确保了结构受力安全和线形精度，节省工期1.5 个月。该桥施工控制结果表明：成桥后主梁整体线形平顺，实测主梁线形与成桥目标线形吻合，偏差满足验收标准。其中道路中心线、下游主纵梁顶面偏差范围一44mm，上游主纵梁顶面偏差范围一3 5 mm；实测成桥索力与设计索力偏差均在5%以内，满足施工验收标准，基本组合下吊杆索应力最大为5 2 7 MPa，满足吊杆安全系数2.5 的要求。采用拱肋整体吊装技术，拱肋吊装外倾角与目标值偏差一0.0 5，成桥拱肋外倾角与目标值偏差一0.2 9，满足控制要求。该新建外倾拱桥于2 0 2 0 年8 月3 0 日正式通车，运营期间各项指标正常，并顺利通过动静载试验验收。该桥的施工控制可为相近跨径下承式组合梁钢系杆拱桥施工控制提供有益参考。参考文献1】李江刚，石建华,张巨生.鱼洲长江大桥南汉航道桥施工控制关键技术 .桥梁建设,2 0 2 2,5 2(4):8-15.2】辛克贵,冯仲,大跨度斜拉桥的施工非线性倒拆分析 J.工程力学，2004(5):31-35.3颜东煌,刘光栋.确定斜拉桥合理施工状态的正装迭代法 J.中国公路学报,19 9 9(2):6 1-6 6.4孙九春.拱式结构吊杆张拉索力计算方法综述 .结构工程师，2010,26(4):154-159.5张文俊，胡成.基于影响矩阵法的系杆拱桥索力调整分析 J.安徽建筑大学学报,2 0 18,2 6(6):18-2 2.6】中华人民共和国交通运输部.JTGF80/12017.公路工程质量检验评定标准第一册土建工程 S.北京：人民交通出版社,2 0 17.7】董伟宁,曹晗,胡宗军,等.钢拱桥拱肋施工最不利荷载处理与力学分析 .工程与建设,2 0 2 3,3 7(1):18 0-18 4.