斜靠式系杆拱桥浮拖法施工监控

李洁勇

(中铁二十局集团巴基斯坦国际有限责任公司 陕西西安 710016）

1 引言

浮拖法是由浮运法和纵向拖拉法结合产生的一种新的施工方法，这种施工方法最早起源于石油工业[1]。随着社会发展的需要，浮拖法被运用于桥梁工程，由于其不需要长时间占用航道，且施工时必要的封航时间较短，因此浮拖法施工逐渐成为内河水运工程市政桥梁架设的首选方案之一[2-10]。所谓浮拖法，即是将工厂制造的主桥各杆件(节段）运至施工现场，在桥址区空旷场地处搭设滑移支架，布设滑道，然后在其上拼装主桥，采用浮船作为前支点，利用对岸设置的连续穿心式千斤顶进行牵引，通过滑移支点在轨道上的滑动实现前移，最后浮拖至桥位落梁成桥[11-12]。

本项目浮拖法的整个施工过程包括:单侧拱肋拼装、浮拖施工、两侧框架结构就位、桥面板铺装、索力二次张拉等。施工过程中的各构件受力体系与正常运营期受力特性不同，现场施工过程中需经过多次复杂的受力转换过程，桥梁的标高及应力控制较为复杂。

通过理论计算分析，可得到各施工阶段的理论值(节点的位移，钢构件的应力、支座反力、钢轨摩阻力、各阶段的稳定系数等数据）。但由于施工中存在着诸多不确定因素，同时仿真分析时各种计算假定都可能导致桥梁在施工过程中的线形标高、内力、稳定性与理论值不相吻合，并最终导致桥梁在施工过程中局部内力过大或失稳破坏。因此，为确保桥梁施工过程安全，成桥线形与内力状态符合设计要求，在施工中必须实施有效的施工监控。

本文以跨径100 m的斜靠式系杆拱桥为对象，通过施工监控对其主要施工过程进行控制，以期各施工阶段实际状态(受力和线形）尽可能逼近理想状态，确保成桥后的几何线形和内力状态符合设计要求。

2 工程概况

苏南运河吴江段Ⅳ改Ⅲ航道整治工程新建云梨桥，位于苏州市吴江区京杭运河上。云梨桥主桥上部结构为斜靠式系杆拱，跨径为100 m，除桥面板为混凝土预制外，桥梁上部结构整体框架为全钢结构，桥梁纵断面中心线为直线。拱肋分为主拱肋及斜拱肋，均为矩形钢箱结构，拱轴线采用二次抛物线形式，主拱与斜拱在竖直平面内夹角为19°。吊索分为主拱肋吊索及斜拱肋吊索，吊索纵桥向间距为3 m，每道拱肋有29根吊索，张拉端均为系杆端。主系杆采用体外预应力束锚固的方式，为主桥的主要承重构件，副系杆通过横梁、纵梁等钢构件与主系杆连成整体，并与预制桥面板共同组成桥面系，桥面系设有机动车道、非机动车道、人行道及观景平台。主桥布置形式如图1所示。

图1 云梨桥桥型布置（单位：cm）

3 斜靠式系杆拱桥浮拖法施工监控

3.1 关键施工工序

本桥浮拖法施工主要施工步骤分为四大阶段，即:单侧拱肋拼装、浮拖施工、两侧框架结构就位及桥面板铺装、索力二次张拉。

根据本桥特点，参考相关设计资料及规范，施工监控确定的基本指标见表1。

表1 施工监控指标

3.2 单侧拱肋拼装

施工流程:滑移支架及滑移轨道安装→系杆、桥面系纵横梁及拱脚段钢结构安装→拱肋临时支架安装→斜拱第一节段钢箱拱肋安装→顺次安装主拱第一节段、斜拱第二节段和主拱第二节段→完成主、斜拱合龙→穿索初张拉准备浮拖。

3.2.1 计算模型

本桥数值模拟采用MIDAScivil进行计算，全桥结构采用空间杆系模型进行模拟，已建好的单侧拱肋有限元模型如图2所示。

图2 计算模型

3.2.2 计算分析结果

按照制定的施工顺序，详细模拟施工过程。根据计算结果分析，在安装第三段拱肋时，斜拱肋拱顶竖向及横向位移相对较大，计算结果如图3所示，斜拱肋拱顶竖向位移为7.3 mm(向下），横向位移为8 mm(向主拱肋方向），这可能是因为斜拱肋刚度相对于主拱肋刚度较小的缘故。

在吊索进行初次张拉后，斜拱肋最大竖向位移为16.8 mm(向下），最大应力出现在拱肋临时支撑下部，数值为84.5 MPa。这说明索力对拱肋变形及拱肋支架受力情况影响较大。

图3 安装第三段拱肋时的变形

3.2.3 监控内容

根据以上计算分析结果，综合考虑各构件受力及变形情况，本施工阶段的主要监控内容定为系杆和拱肋标高、拱肋支架应力以及初张拉索力。

(1）系杆和拱肋标高

系杆、拱肋在支架上安装时，应对其安装标高进行控制，控制方式主要通过安装标高指令、现场标高复测等。系杆与拱肋测点布置在拱脚、系杆与拱肋的四分点处，具体布置见图4a和图4b。

图4 测点布置

(2）拱肋支架应力

根据计算结果选取最不利的拱肋支架进行应力检测，应力测点布置如图4c所示。

(3）初张拉索力

由于单侧结构横向为非对称结构，吊索初张拉力会产生较大的水平分力，且系杆横向刚度相对较小，易产生较大的横向变形，为了后期横梁能顺利拼装，经过与设计单位及监理单位沟通，提出了一种较为巧妙的方式，即在进行系杆拼装时，系杆横向坐标进行预偏。系杆横向坐标预偏量与吊索初始张力密切相关，因此本阶段索力初始值控制应为重中之重。

3.3 浮拖施工

施工流程:安装牵引系统→牵引半幅系杆拱至悬臂11.3 m→解除前方支点小车→牵引半幅系杆拱滑移至悬臂23.2 m→驳船就位，收紧岸锚→船舱排水、顶升系杆拱至前方小车不再受力→固结梁底托架与驳船支架→牵引、浮拖系杆拱至距离对岸主墩支座1.2 m→驳船排水顶升系杆拱解除后方支点小车约束→牵引、浮拖系杆拱至支座正上方→落梁、定位。

3.3.1 计算分析结果

本施工阶段通过改变系杆的边界条件来模拟单侧结构浮拖过程。

(1）变形

根据计算结果分析，浮拖施工过程中，单侧拱肋结构移动11.3 m后，端部竖向变形为12.2 mm(向下）；移动23.2 m后，端部竖向变形为28.9 mm(向下）。

拱肋移至到目标位置拆除支架后，跨中竖向最大变形为32.4 mm(向下），水平位移为46.6 mm(向主系杆方向），如图5所示。计算结果表明，浮拖过程中结构的变形满足相关要求。

图5 拆除全部支架后的变形

(2）应力

单侧拱肋结构移动11.3 m及23.2 m后，最大应力均出现在支架处，其值为93.5 MPa；拱肋移至目标位置拆除支架后，最大应力出现在主幅系杆间小纵梁处，其值为110.5 MPa，结合表1中的指标可知，支架应力满足相关要求。

3.3.2 监控内容

本施工阶段的主要监控内容为:浮拖前后及支架拆除前后系杆、拱肋相对变形或位移值；拱肋支架应力；吊索张拉力。

(1）浮拖过程中位移或变形监测

浮拖前或浮拖过程中，可能由于上滑道两侧轨道或驳船支架两侧支点存在高差或两侧变形不一致使得主桁架发生扭转。测量方法采用水准仪观测钢尺竖向位移变化，当发现两侧高差超限或变化过快时立即报警，停止一切动作，待查明原因或纠偏后才可继续施工。

由于多种因素可能使结构左右偏位，施工中应实时观测，及时发现和纠偏，确保结构的轴线位置正确。中线偏位测点布置在桁架中线，测量方法采用水准仪观测钢尺水平位移的变化。

(2）应力测点布置

根据云梨桥的受力特点，拟在拱肋关键截面布设测点，主要截面有拱肋1/2、1/4、3/4截面和拱脚截面等，每个杆件在其两侧各布设2个应力应变传感器。系杆关键截面布设测点，主要截面有拱脚截面、边跨1/2截面、主跨1/4截面、主跨1/2截面等。每个系杆的两侧各布设2个应力应变传感器，每个截面共计4个。

(3）索力控制

由于吊索初始索力张拉时，边界条件较为复杂，待支架拆除后实际索力与理论值有一定偏差，而实际索力与系杆横向变形紧密相关，因此该阶段索力控制非常必要。将索力实测值与系杆横向变形值进行对比分析，并进行必要的调索工作，使索力与线形均满足相关要求。

3.4 两侧框架结构就位及桥面板铺装

两侧框架就位应从两侧向中间顺序拼装横梁与纵梁，就位完成后，应进行索力测试，系杆横向、竖向坐标测试，通过索力调整，使两侧索力、系杆拱肋标高趋于一致，为后续结构拼装打下良好的基础。若两侧索力或系杆标高相差较大，轻则导致后续结构拼装容易产生较大的次内力、重则导致后续结构无法拼装。在以上工作均完成以后，需要从两侧向跨中进行桥面铺装工作。

3.4.1 计算分析结果

(1）变形

桥面板拼装完毕后，主系杆跨中变形值为30.7 mm，横梁中部相对于端部变形为13.7 mm，主拱肋变形18.0 mm，斜拱肋变形12.2 mm；梁侧拱肋横向变形为18.1 mm，均满足相关要求。

(2）应力

如图6所示，中间横、纵梁拼装完毕后，最大应力出现在主幅系杆间小纵梁处，其值为129.1 MPa，结合表1可知，应力分布满足相关要求。

图6 桥面板拼装完毕后的应力云图

3.4.2 监控内容

本施工阶段的主要监控内容为:系杆竖向变形、拱肋横向位移，测点布置可参考3.3.2节的布置方式。

3.5 索力二次张拉

之前的工况桥梁结构基本为被动受力，此节描述的索力张拉则为结构主动受力，结构受力特性可通过调整索力得到优化，因此本施工阶段尤为重要。

本桥结构刚度相对较小，且吊索相对较密，逐根索张拉吊索的过程中，索与索间张拉力相互影响较大，因此索力张拉顺序以及张拉力的确定非常重要。

综合考虑桥梁特性及张拉过程中结构的合理受力情况，拟定的吊索张拉顺序见表2，吊索编号从左往右依次增大。

表2 索力张拉顺序

3.5.1 计算分析结果

监控具体内容均依据每个施工阶段详细的计算分析结果来进行设定。根据计算结果，吊索二次张拉完毕后最大应力出现在主幅系杆间小纵梁处，其值为128.2 MPa，如图7所示，应力满足相关要求。

图7 吊索二次张拉完毕后的应力云图

3.5.2 监控内容

本施工阶段的主要监控内容为:系杆竖向变形、拱肋横向位移以及索力，测点布置可参考3.3.2节来进行布设。

4 监控结果分析

4.1 位移监控结果分析

系杆顶面监测标高部分偏差较大值(含最大值）列于表3。由表中数据可知，各截面实测标高与目标标高偏差均小于规范要求的20 mm，满足《公路工程质量检验评定标准》的高程控制要求。

4.2 索力监控结果分析

云梨桥主桥成桥后分别测量了所有吊索索力，表4仅列出了偏差较大的部分吊索测试结果。由表4可知，吊索成桥索力理论值与实测值偏差较小，最大误差为9.5%，出现在左侧11号主吊索处，大多数偏差为8%以内，以上结果表明索力控制较为合理。

表3 系杆顶面监测标高部分数据

表4 成桥后主吊索索力部分实测数据_

4.3 应力控制成果

云梨桥主桥各断面应力实测值均在规范允许值范围内，实测应力值与理论应力值较为接近，且走势相同，未出现拉应力，各控制截面应力状态良好。

综上所述，本文采用的监控思路及监控理论较好地服务于云梨桥主桥浮拖施工中，监控实施较为成功，监控结果较为理想。

5 结论

本文研究了斜靠式系杆拱桥浮拖法施工监控技术，可得出如下结论:

(1）本文提供的监控方法及思路可确保云梨桥主桥安全施工，施工全过程均得到了有效控制，该方法可为日后采用同类施工方法架设的长大构件提供一定的参考及经验积累。

(2）云梨桥主桥成桥后系杆线形理想，偏差满足相关控制要求，主吊索索力及成桥内力与设计状态偏差较小。

(3）采用系杆横向坐标预偏的方法可有效减少单侧拱肋结构的不对称性对后期横梁顺利拼装的影响，该方法简单实用且十分巧妙，值得借鉴。