万宗江 冯靖淳

(1.中铁二局集团有限公司 四川成都 610000；2.华东交通大学 江西南昌 330000)

1 引言

著名桥梁大师林同炎说过“拱是结构也是建筑”[1]。因其造型美观、便于就地取材、耐久性及稳定性强、后续养护维修费用低等优点，拱桥被众多工程设计者所青睐。人类掌握了大型铸钢技术以来，钢材得以大量投入土木工程行业，在此背景下，钢拱桥应运而生[2]。近代以来，随着社会生产力的飞速发展和科技的进步，以及人们对建筑造型审美不断提高，拱桥的结构形式在不断变化与创新，诞生了许多造型奇异的钢拱桥结构，如采用单根拱肋与行车道斜交跨越形式的英国斜跨拱桥Hume桥、采用以拱肋通过拉索吊住桥面形式的日本东京羽田机场跨线桥、西班牙著名建筑师SantiagoCalatrava于1987年在巴塞罗那成功设计建成的斜靠拱等[3]。我国改革开放以来，土木工程业得到了蓬勃发展，表1列举了我国21世纪所修建的典型钢拱桥[4-5]。

表1 典型钢拱桥

国内采用“超宽曲线梁、非对称外倾式”结构形式的钢拱桥较少，这种结构设计新颖、关键部位力系传递分配巧妙，既保证了桥梁造型美观，又确保了三维结构具有高度的稳定性能。由于结构的特殊性以及施工环境的特殊性，已有成熟拱桥施工方法均不能很好地适用府河大桥。为此，本文以府河大桥为工程背景，对横向超宽非对称外倾式钢箱拱桥进行数值仿真计算及受力分析，在此基础上提出了一系列施工措施，以达到为今后同类型桥提供工程借鉴的目的[6-8]。

2 工程概况

成都市高新区红星路南延线跨府河桥梁工程(下文简称府河大桥)位于成都新会展中心以东，毗邻会展段规划江滩公园，跨越府河后接中和镇街道。府河大桥采用“超宽曲线梁、非对称外倾式钢拱桥”为我国西部地区首座该类桥型，主桥采用“三跨连续横向超宽曲线梁非对称外倾式钢箱拱桥”，主桥跨径150 m，主梁位于R＝600 m平曲线内，东西两条独自向外倾斜的拱肋其外倾角度不同，北拱平面与水平面成70°角，南拱平面与水平面成82°角，桥面以上拱肋间没有任何横向联系，两条拱肋于主梁下交汇，于拱顶遥相分离，通过倾斜的吊索支承弯曲的主梁。府河大桥钢梁采用“双纵箱＋格子梁”结构，宽度最宽达到69 m，为目前国内在建和已建拱桥中钢梁梁面最宽的桥梁(见图1)。其结构规模的突破，必定连锁带动全桥施工组织和施工工艺的全体系改进，在施工组织和施工工艺改进的基础上才能实现真正意义上拱桥建造技术的突破[9-10]。

3 数值仿真分析

对混凝土拱肋施工过程进行数值仿真分析，计算各个工程阶段主要构件的受力和变形情况，确保施工过程结构安全。分析采用Midas FEA软件，模型实体部分全部采用六面体单元，钢束采用1D钢筋单元，骨架采用梁单元模拟，骨架与实体之间采用共节点方式处理。模型共计8 870个梁单元，预应力钢束6 844个单元，三维实体单元个数为49 914个，整个模型共有66 128个节点，见图2。

图2 拱肋实体模型

根据现场施工实际情况，模型共分成十四个施工阶段(设计第一阶段为10 d外，其他每个施工阶段周期均为7 d)。阶段一:生成承台及三角块；阶段二:在已有结构的基础上，激活第一节段混凝土拱肋重量以及劲性骨架的重量和刚度(骨架考虑一部分连接延伸段)；阶段三:在已有结构的基础上，激活第一节段混凝土拱肋刚度；阶段四:在已有结构的基础上，激活第二节段混凝土拱肋重量以及劲性骨架的重量和刚度(骨架考虑一部分连接延伸段)；阶段五:在已有结构的基础上，激活第二节段混凝土拱肋刚度；阶段六:在已有结构的基础上，激活第三节段混凝土拱肋重量以及劲性骨架的重量和刚度(骨架考虑一部分连接延伸段)；阶段七:在已有结构的基础上，激活第三节段混凝土拱肋刚度；阶段八:在已有结构的基础上，激活第四节段混凝土；阶段九:在已有结构的基础上，激活第四节段混凝土拱肋刚度；阶段十:在已有结构的基础上，激活第五节段混凝土拱肋重量以及劲性骨架的重量和刚度(骨架考虑一部分连接延伸段)；阶段十一:在已有结构的基础上，激活第五节段混凝土拱肋刚度；阶段十二:在已有结构的基础上，激活第六节段混凝土拱肋重量以及劲性骨架的重量和刚度(骨架考虑一部分连接延伸)；阶段十三:在已有结构的基础上，激活第六节段混凝土拱肋刚度；阶段十四:张拉拱肋预应力。除去预应力及边界条件模拟导致的应力集中点外，各阶段混凝土结构正应力和主应力见图3～图5(拉应力为正，压应力为负)，各阶段钢骨架应力及变形见图6～图7。

图3 不同施工阶段拱肋应力

图4 不同施工阶段承台应力

图5 不同施工阶段桥墩应力

图6 不同施工阶段劲性骨架应力

图7 不同施工阶段劲性骨架最大变形

对比工况14与设计文件相关结果发现:拱肋轴向压应力分布范围接近，应力集中处(拱肋与三角块接触位置)极值点应力略小于设计文件值，拱肋上主拉、主压应力基本与设计文件相同。两个计算结果中桥墩上应力大体一致。但在拱肋与桥墩接触位置，设计文件中最大主拉应力出现在侧边，而本计算出现在顶面，通过分析研判为考虑拱肋骨架应力扩散作用所致。承台上除去本计算中边界条件模拟处，其他部位结果基本一致。劲性骨架北拱外侧主撑上最大压应力达到-171 MPa，最大拉应力为124.48 MPa。通过Midas FEA软件对施工阶段一至阶段十四的数值仿真分析，对每一施工阶段的拱肋、承台、桥墩的最大正拉应力、最大正压应力、最大主拉应力、最大主压应力以及钢骨架的应力和最大变形数值进行计算，着重在不同施工阶段的应力、变形较大的位置采取相应工程措施，如适当增大杆件截面等，数值分析对工程实践具有较好的指导意义[11-12]。

4 关键施工控制技术

4.1 外倾式拱肋钢混连接段施工

钢帽预埋进混凝土拱脚部分构造复杂，混凝土浇筑质量控制难度大，钢-砼连接段混凝土施工质量关系到混凝土拱肋与钢箱拱肋段应力传递和整个拱肋受力安全。为此，利用Midas FEA软件进行整体建模及数值分析，同时结合本桥钢-砼连接段的特点及施工难点，提出先浇筑钢砼连接段混凝土，再安装拱肋第一段的施工方案。以此方案施工钢帽与混凝土拱肋结合段，混凝土浇筑施工较为方便，能够较好地保证混凝土浇筑质量。针对钢砼连接段钢帽及钢箱拱1＃段施工工序进行研究分析，同时结合国内外钢砼连接施工技术，充分考虑本工程特殊施工环境和施工工艺特点，钢箱拱1＃段拱肋与钢帽焊接必须在混凝土抗压强度达到设计强度的95%方可进行。按焊接速度，间隔时间至少已达到50 min，根据试验结果，能够达到降低层间温度的目的，若出现层间温度较高的情况可通过延长层间间隔时间(不能超过2 h)来降低层间温度以保障焊接质量，避免焊接辐射热对钢帽内混凝土强度的影响。此外，因连接位置钢筋密集，混凝土浇筑时难以密实，为此，采用自密式高强C50混凝土，保证了在钢筋密集、结构复杂的情况下钢砼连接段混凝土施工质量。采用活动压模技术，在混凝土浇筑时能及时快速进行压模，保证了施工质量；同时压模可多次利用，节约了施工成本。压模由限位卡槽、型钢横肋、方木竖肋、模板组成。U型卡顶部内侧与工字钢连接，U型卡两腿长度比工字钢高20 cm，与钢帽顶面满焊连接组成压模限位卡槽，见图8。

图8 压模限位结构

4.2 横向超宽曲线钢梁快速安装

钢梁纵向分段、横向分块。钢梁纵桥向分为8＋25＋11，共44个施工节段。纵向节段之间U肋、板肋和面板全部采用焊接。横桥向块间工字钢横梁采用高强螺栓连接、面板焊接。各节段长度在6 m左右，均为扇形。本桥钢梁安装难度大，采用传统方案施工，均不能完全解决相关问题，经研究创新采用运架一体小车安装钢梁的施工技术。小车具有运输、安装、调整等功能，在钢梁安装调整就位后，采用碗扣支架支撑钢梁，小车退出进行下一梁块安装。钢梁运架一体小车可重复利用，节约了施工成本，见图9。同时采取超宽曲线钢梁水上运输通道设计、横向超宽曲线钢梁快速安装、钢梁合龙安装、横向超宽曲线钢梁线形控制等技术措施保障施工的顺利进行。

图9 运架一体小车

4.3 横向超宽曲线梁外倾钢箱拱体系转换

府河大桥作为国内外首座超宽曲线梁外倾式钢箱拱系杆拱桥，钢箱拱肋、钢梁均采用少支架法施工，施工过程中采用横向对拉索维持结构受力及保持结构稳定，力的平衡及传递关系复杂，临时辅助施工结构多。当成拱及成桥后都需分步解除临时结构，进行多次受力体系转换，既要保证施工过程安全，又要满足结构设计线形和应力要求。体系转换施工过程复杂、难度大且无同类工程参考借鉴，为确保各个阶段体系转换安全可靠，保证成桥状态的结构内力及线形满足设计要求，最终采用体系平衡、体系转换等技术措施以保障施工顺利进行。主要施工程序为:安装南北侧系杆，并完成初张拉；安装吊杆，张拉靠近两侧拱肋拱脚处的3对共12根吊杆；安装及张拉钢梁纵向弹性索；拆除北侧拱肋的2个支架并张拉靠近已张拉吊杆两侧的12根吊杆；张拉剩余吊杆；拆除钢梁边跨支架，拆除钢梁中跨支架，拆除钢拱临时对拉索；调整系杆张拉力至张拉设计值；调整吊杆、弹性索张拉力至张拉设计值。

此外，考虑到拱肋合龙时的温度、线形等不确定因素，在工厂制造时将合龙段适当加长，根据合龙时的实际情况，在施工现场对合龙段放样切割，精确、顺利完成了拱肋合龙。钢箱梁吊装过程中通过将横向对拉索逐步卸除，将拱肋外倾产生的拱平面外荷载逐步转换到永久吊杆承担，实现了横向分力平衡受力体系逐步转换。成桥后通过曲线布置的永久系杆平衡箱梁平面内的横桥向不平衡水平分力以及拱脚水平推力，施工过程通过采用临时支架、对拉索等保证结构稳定，成桥后通过体系转换逐步将临时支架、对拉索所承担的荷载转换到永久系杆。临时索体系根据结构实际传力路径布置，随结构体系的变化逐步施加和解除，并将荷载逐步转换到永久结构，实现结构体系自平衡。

5 结论

(1)外倾式预应力混凝土拱肋采用在结构内设置劲性钢骨架结构作为承力结构、大块异型模板分节段浇筑技术并通过对施工工况的仿真分析和过程监测，解决了空间曲面混凝土拱肋悬臂施工难题。

(2)针对钢-砼连接段特殊构造设计和质量要求，通过对焊接辐射热的试验研究，解决了焊接辐射热对钢帽混凝土质量影响的技术难题；同时采用活动压模技术，确保了钢帽混凝土质量。

(3)横向超宽曲线钢梁的横向宽度达69.0 m，为国内最宽钢结构桥梁，钢梁块段多，采用水上运输通道系统，通道之间无连接，减少了支架数量，节约了成本；钢梁安装，创新采用运架一体小车进行施工，安装速度快、精度高、易于操作，安全风险小。

(4)依靠吊杆、箱梁、系杆及拱肋组成三维空间受力平衡体系，成桥后通过体系转换逐步将临时支架、对拉索所承担的荷载转换到永久系杆，确保了整个施工过程结构体系的自平衡。