下承式空间多索面异形拱桥的系杆张拉施工技术及监控分析

王杰，钱有伟 （中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131）

1 引言

异形系杆拱桥由于其外形独特、造型新颖美观，成为现代城市景观桥梁优先考虑的桥型之一。该结构形式能够充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能以及组合作用，因此在近代桥梁领域应用逐步增多，例如上海之鱼大庆桥[1]、莆田城港大道跨木兰溪大桥[2]等。

在异形系杆拱桥吊杆张拉施工全过程中，由于拱肋的不对称性，使得张拉顺序和张拉力对主梁及拱肋的变形、应力影响较大。如果不能合理地制定吊杆的张拉顺序，有效控制张拉力的大小，合理地确定索力计算方法，会对结构的强度和稳定性会产生较大影响。李晔等[3]对大跨径钢管混凝土拱桥的张拉索力提出优化计算方法，利用黄金分割优化理论对安装过程中的索力进行优化，并根据监测结果验证了优化理论模型的准确性。王静峰等[4]对针对济南公铁两用桥加劲弦和吊杆的受力特点提出了不同的安装方案，通过数值模拟明确了最优技术方案。张振伟等[5]对秋湖里飞燕式钢管混凝土系杆拱桥进行参数分析，研究了不同系杆初拉力对成桥线形的影响，并设计了最佳吊杆张拉方案。

为了确保系杆拱桥在吊杆张拉施工阶段的安全性，保证桥梁在使用阶段的稳定性和耐久性，因此，有必要对吊杆张拉全过程进行仿真模拟和施工监控分析，确保施工的安全性和桥梁线形与受力的合理性。秦翱翔等[6]对郑—万铁路河南段128m钢管混凝土系杆拱桥模拟分析了吊杆张拉施工全过程，并进行了监测分析。冯志强等[7]对南水北调中线某跨径为103m的钢管混凝土系杆拱桥进行了吊杆张拉监控分析，并根据分析结果合理调整张拉力与拱肋线形，评估张拉方案的可行性。

2 工程概况

承天大道外秦淮河大桥(如图1所示)位处南京外秦淮河河道上口宽约168m，为157m跨下承式空间多索面异型系杆拱桥。主桥桥面采用整体式正交异性板扁平钢箱梁。桥梁横断面布置为：3.5m(人行道及非机动车道)+4.5m(拱肋及吊杆区)+11.0m(车行道)+4.0(拱肋及吊杆区)+11.0m(车行道)+4.5(拱肋及吊杆区)+3.5(人行道及非机动车道)=42m。桥面设双向2%横坡。标准节段钢箱梁横向分为五个箱体，跨中高度为3.03m，两端支座处非标准节段为上下双层钢箱梁跨中高度为4.532m。

图1 跨外秦淮河特大桥

主桥为非对称拱桥，拱肋内侧为规则矩形钢箱，外侧焊接12mm厚装饰板，形成六边形异型钢箱拱，拱轴线采用直线、圆曲线组成。拱肋结构材质为Q345qD钢板，结构壁厚根据受力不同分别采用30mm、40mm及50mm三种板厚，横隔板厚度为16mm和12mm，加劲板厚度为24mm和16mm。

3 吊杆张拉施工技术

吊杆采用对称张拉的方法施工。根据吊杆分布，将吊杆以悬挂拱肋的名称进行编号，共分为3组。拱肋A吊杆DG1a～12a(DG1a’～12a’)24 根，拱肋 B吊杆DG1b～9b(DG1b’～9b’)18根，拱肋C吊杆DG1c～11c 11根，如图2所示。

图2 吊杆布置及编号

从施工角度，应尽量减少张拉次数；从受力要求考虑，在施工过程中应尽量减小拱肋的弯曲应力，并且要考虑成桥后控制截面的受力要求，需要多次张拉，增加了施工难度。以拱肋线形为控制指标，采用先张拉A、B长索控制最高拱顶标高，再张拉短索C调整局部线形的张拉顺序来确保张拉过程中结构的变形与安全。

索力张拉总原则：先张拉长索（A、B拱肋），后张拉短索（C拱肋）。其中，A、B拱肋除A1、A2、B8、B9索后张拉外，其余按由中间向两侧的顺序进行分批对称张拉，然后C拱肋由两侧向中间进行张拉，在张拉完A1、A2、B8、B9索后，张拉C3、C4、C5、C6与C7索。为达到设计成桥索力目标，C4索挂设后不进行初张拉或只是初步张紧，张拉的主要施工顺序见图3和表1。

图3 跨外秦淮河特大桥吊杆主要施工顺序

4 施工全过程仿真模拟

为了准确反映该桥梁在吊杆张拉施工过程中的受力特征和变化规律，本章采用Midas/Civil建立了全桥有限元模型，并对吊杆张拉施工进行了全过程分析。结构整体模型如图4所示。

此次设计的射频模块从天线获得射频信号，通过变频产生模拟中频信号，并带有独立供电电路的射频模块[9-13]。

图4 全桥有限元模型

该模型共包括1014个节点、1602个单元。其中，主梁和拱脚采用梁单元并通过梁格法建立；拱肋采用梁单元，并根据施工图对拱肋的划分情况将其离散化处理；吊杆采用桁架单元。为了模拟主梁与底部与滑道梁的接触，将主梁底部与滑道交接处采用刚域处理。拱脚与水中支架采用固结边界条件。拱肋与主梁采用Q345qD钢材；水中支架采用Q235B和Q355B钢材，钢材强度设计值分别为215MPa和265MPa；吊杆采用钢绞线，其断裂强度为1670MPa。

吊杆张拉全过程的计算工况与表1的施工顺序对应。计算过程中考虑施工中人工与器械的重量和拼装中螺栓和端板的重量，对结构进行补重，并取自重系数为1.2。

吊杆施工顺序 表1

通过对施工过程正装分析[8]，得到了各批吊杆的初张拉力，如表2所示。由于不同位置吊杆的张拉会影响结构整体的线型和内力，因此在吊杆施工的过程中需要实时监测拱肋、主梁的变形和应力变化。根据《钢结构设计标准》(GB50017）[9]和《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64）[10]的规定，本工程设置了相应的预警值[11]：

吊杆分批张拉顺序及初张拉力(kN) 表2

①钢构件的应力限值为215MPa和265MPa；

②主梁最大竖向变形应小于L/400，即 392.5mm（L 为主梁的计算长度）。

部分施工工况下主梁与拱肋的应力和位移分布如图5所示。在吊杆施工过程中主梁和拱肋应力最大值为110.34MPa，竖向变形最大值为105.3mm，均可以满足预警值的要求，验证了跨外秦河特大桥吊杆施工方法及顺序可以满足设计要求，能够保证施工过程中结构的安全，为现场实际施工提供了合理的计算依据。

图5 跨外秦淮河特大桥吊杆施工主要过程模拟

5 施工全过程监控分析

根据Midas/Civil对各个工况的计算，在结构变形，应力变化较大处布置了监控测点，同时为了监控吊杆张拉力，也在每根吊杆处设置了监控测点。

5.1 变形监控

变形监控测量的主要任务是测量张拉吊杆过程中主梁和拱肋的控制标高。采用徕卡TM30自动全站仪和Trimble DiNi 03高精度电子水准仪进行测量。为了精确控制标高，在各截面编号之间适当布置了控制截面并编号主梁1～25，拱肋1～57，主梁每个控制截面横向设3个标高测点，拱肋每个控制截面设置1个测点，主梁共计75个测点，拱肋共计57个测点，测点布置见图6。

图6 变形测点布置图

5.2 应力监控

应变监测频次采取实时监测，根据计算确定应力测试截面具体位置，在主梁上布置6个应力及温度测试断面（主梁截面L1～L6）每个控制断面布置12个应力测点；在拱肋上布置14个应力及温度测试断面（拱肋截面B1～B7），每个控制断面布置4个应力测点。全桥共布置156个应力测点，采用JMZX-212表贴式应变计进行测量，具体见图7。

图7 应力测点布置图

5.3 吊杆张拉力监控

对已张拉的吊杆进行测试采用频谱分析法，采用JMM-268索力动测仪器对全桥53根吊杆进行监测，测点位置距离下吊点约2m处。

6 施工模拟和监测数据对比

为了验证吊杆张拉施工方案的合理性和有限元模拟值的准确性，将有限元计算值与现场实际监测值进行对比，并对吊杆张拉施工全过程做出合理性评价。

6.1 变形分析

根据主梁和拱肋的变形特点，分别选取了部分测点进行实测值和计算值的对比，主梁选取了中部3个测点（测点1、测点11、测点21、测点25），拱肋A～C选取了3个测点（测点A9、测点B4、测测点C2），并对其进行12个施工工况下的对比分析。主梁和拱肋的测点对比情况如图8所示。

图8 部分测点变形对比分析

根据部分测点对比结果可知：

①有限元模拟计算值与实际监测值的变化趋势总体吻合较好，多数工况下的实测值与计算值的误差能够控制在25mm以内，个别工况下的误差超过25mm，但是由于监测值均满足规范要求，可以看做其具有一致性，较好地验证了吊杆张拉施工过程的合理性和安全性；

②水中支架拆除后（工况10），主梁和拱肋测点的变形值发生了突变，主梁和拱肋的变形均呈增大趋势；

③主梁中部和拱肋B长拱脚段的变形在吊杆张拉整个施工过程中的变形始终较大。

6.2 应力分析

根据主梁和拱肋的受力特点，分别选取了部分测点进行实测值和计算值的对比，主梁选取了L1、L3、L6三个截面共3个测点（测点L1-6、测点L3-1、测点L6-7），拱肋A～C选取了3个截面（测点A5、测点B7、测点C2），并将各截面位置上下测点最大值作为拱肋上下缘最大应力，并对其进行12个施工工况下的对比分析。主梁和拱肋的测点对比情况如图9所示。

图9 部分测点应力对比分析

根据部分测点对比结果可知：

①有限元模拟计算值与实际监测值的变化趋势基本吻合，多数工况下的实测值与计算值的误差能够控制在10%以内，个别工况下的误差超过10%，但是由于监测值均满足规范要求，可以看做其具有一致性，较好地验证了吊杆张拉施工过程的合理性和安全性；

②由于设置了水中支架，工况1～9主梁各测点的应力变化主要与吊杆张拉有关，应力变化相对较小；拱肋部分测点上下缘应力变化随吊杆张拉的进行发生小范围波动。水中支架拆除后，各测点的应力值均发生突变，处部分拱肋测点，其余主梁和拱肋测点的应力值均增大。

6.3 吊杆张拉力分析

通过初步计算，长吊杆所受拉力明显大于短吊杆，由于拱肋A、B吊杆布置关于主梁中心线对称，实际施工中对称吊杆的内力变化较小。根据初拉力计算情况选择单侧吊杆作为对象，由于篇幅限制，对铺设二期恒载后的吊杆张拉力实测值与计算值进行对比，对比情况如图10所示。表3列举了部分吊杆在2～12施工阶段下的张拉力。

部分吊杆张拉力 表3

图10 吊杆张拉力对比分析

结合图表可以得出：

①在未拆除水中支架前，随着剩余吊杆逐步张拉，先前张拉的部分吊杆内力逐渐减小，在拆除水中支架后，所有的吊杆内力迅速增大，但其张拉力远小于设计值1670MPa；

②部分吊杆张拉力监测值超过了计算值的10%，但是总体上模拟和监测效果较好，吊杆张拉力的计算值与实测值吻合较好，变化趋势能够保持一致。

7 结论

①跨外秦淮河特大桥的结构体型复杂，吊杆张拉施工对异性拱的线性控制较为困难，施工难度大。本文提出的“先长索、后短索分批对称张拉”施工技术，可以实现吊杆安装、对称张拉、线形调整全过程精确控制。

②有限元分析能够准确模拟吊杆张拉施工过程中结构各部位应力-应变状态和结构整体变形的规律。计算结果表明，本文提出的施工方法能够有效保证下承式空间多索面异性系杆拱桥在吊杆张拉施工过程中的安全性。

③本文实施的监测技术可以较好地监控结构构件的内力和变形。监测结果与有限元计算结果具有良好的吻合性和变化的一致性，为桥梁安全施工提供了可靠的信息，同时也验证了本文吊杆张拉的施工方法可以在同类工程中应用。