斜跨拱桥拱肋施工关键技术研究

赵长龙

[中建国际投资（贵州）公司，贵州 贵阳550081]

0 引言

随着交通基础设施的不断发展以及城市化进程的持续推进，人们对于桥梁的景观要求不断提高，桥梁不再仅为满足跨越河流沟壑等障碍这一基本要求服务。拱桥作为一种能给人以自然和谐感觉的结构形式，能自然地融入周边环境，使人赏心悦目，满足大众的审美要求，因此这种结构形式备受工程师的喜爱。相比于与主梁方向一致的传统布局拱桥，异化的拱桥在保持原有拱桥美感的基础上，又通过结构斜交穿插等变化，增添了几分动感，斜跨拱桥就是其中突出的代表之一。斜跨拱桥利用拱肋斜跨过主梁两侧，吊索形成空间扭曲索面，拱桥的立体感更为强烈，一般作为地标性建筑，不仅远远望去十分壮丽美观，从桥下高速公路行车的视角看，也有不同的观景感受，适用于景观要求较高的大中型规模桥梁。然而，这种新型的斜跨拱桥结构较为复杂，弯剪扭等多种力学特性耦合，在各种设计参数对结构内力的影响方面尚缺乏深入的研究，尤其是施工较为困难。拱肋作为拱桥的主要承重构件，为确保其在整个施工过程的安全性和稳定性，必须对其施工过程进行监控，由于施工及控制不当，曾发生过严重的事故[1]。因此，近些年对于斜跨拱桥施工控制的研究已愈发引起众多工程和技术人员的关注。

1 设计方案简介

某异形钢拱桥采用拱肋斜跨曲线钢主梁的设计方案（见图1）。主要由斜拱、弯梁以及网状的空间斜向交叉吊索组成，集弯、斜、交于一体，构成了该桥独特的造型，这种结构索面井然有序，主梁与弧线拱相交叉造就了和谐流畅的桥梁景观，变化中又有规律可循[2]。斜跨拱桥不同于窄桥，其厚重而具有较强的立体感。针对斜跨拱桥拱脚与主梁距离太近缩小行车净空的问题，出于经济性和整体美观性考虑，又不允许大幅度增大拱肋跨径，因此增大拱肋矢跨比是能够符合经济和美观要求的解决该问题的较为合理的方法[3]。为了保持桥梁的整体协调、美观，方案中拱肋的设计跨径和主梁跨径基本一致，但相互对比之下拱肋矢跨比设置较大，这样就能获得较大的行车净空[4]。同时，在满足行车净空的前提下，吊索均匀分散布置在拱上，这样不仅能改善拱的面内受力状态，还能优化拱轴线形。设计中吊索成对布置，并尽量使索力在面外方向互相平衡，减小拱的面外弯矩以改善拱的整体受力。基于这种吊索的布置方式，主梁两端无索区长度应适当加长，同时减小两端短吊索的索力，尽量降低拱肋所受的不平衡水平力，该区域的竖向荷载主要由主梁本身承担[5]。

图1 桥梁设计方案图

2 力学特性分析

普遍情况下，异形拱桥相比于常规拱桥，虽然在视觉美感方面给人极大的震撼，但是同时也要牺牲一些结构受力的合理性。异形拱桥在设计时若一味强调受力的合理性，便会使桥梁的设计少了流畅感和立体感。在美学与力学之间找到一个平衡点，才能获得最合适的设计效果[6]。

由于斜跨拱桥的主体结构是拱肋从主梁一侧斜跨至另一侧，吊索采用空间索面，吊索与桥面都存在着纵向和横向的夹角，形式十分具有创新性，这种结构形式让它和常规拱桥呈现明显不同的力学特性，一方面，它不能在主梁内设置系杆来抵消拱肋端部的较大水平力，因此水平力只能传递到地基，在这种情况下斜跨拱桥对于地基条件有着较高的要求。另一方面，斜跨拱桥的吊索形式为斜吊索，在其作用下拱肋承受平面外弯矩、扭矩、轴力以及平面内弯矩，受力十分复杂，只有下承式和中承式拱桥能够适应这种复杂的受力情况。可见，这种新颖的结构传力路径多、鲁棒性强，压弯扭耦合效应十分明显地影响着拱肋，而且由于拱肋的异化，整体结构的稳定性往往有复杂的作用和影响，因此这种斜跨拱桥空间受力分析具有较大的挑战性[7]。

目前对此类型拱桥力学特性的了解还不够深入，设计理论也有待完善。同时，在无现成经验可供借鉴的情况下，如何制订拱肋施工方案，并明确施工各阶段的控制要点，给出合理可行的技术措施，使力学状态尽可能地达到设计要求以确保拱肋施工期间的安全性，是施工控制中必须解决好的问题[8]。

3 拱肋施工方案和施工控制

3.1 方案确定和应变控制

根据结构和现场的实际情况，确定拱肋施工方案采用原位拼装法，即在桥跨桥面上搭设原位拼装支架，利用龙门吊将拱肋节段按顺序吊运至拼装支架上完成拱肋拼装。拼装支架工程量大，龙门吊高度及安全性能要求较高。

拱肋应变施工控制是对桥梁施工过程中产生的应变进行有效监控，修正在施工过程中各种成桥指标的误差对成桥状态的影响，确保成桥后桥梁受力状态满足设计要求。在拱上结构形成中，不论什么形式的拱桥，都有着确定的受力和变形状态，但在施工阶段，拱上结构的施工顺序是影响受力与变形状态和稳定性的关键因素，稍有不慎就会在施工中受到破坏，所以在该过程中施工控制的实质是被动监测与调整。无论采用何种施工手段，桥梁结构均会产生变形，同时受风、温度等非人为因素的影响，导致结构在实际建造中极易偏离预定目标，因此必须对桥梁结构实施监控，以确保结构在实际施工中的状态与设计要求的偏差控制在允许的范围内[9]。同时，良好的桥梁施工监测能够实时掌握桥梁的状态，为桥梁的安全施工保驾护航，因此桥梁施工监控是复杂结构施工过程中必不可少的关键一环。

为确保拱肋在吊装过程中的安全，并掌握后期在支架拆除、吊索张拉、桥面铺装等成桥过程中的受力状态，随着吊装的进行在其截面均埋设了传感器，观测其应变以及温度效应。每个拱肋截面顶底板和左右腹板各布置两个测点。使用这些设备实时监控桥梁的应变情况，以便及时作出应对。

3.2 拱肋体系转换施工控制

在特殊拱肋结构形式及支架系统的作用下，落架过程相对常规拱桥而言更加复杂。而在桥面铺装和吊索张拉之前，拱肋的临时支架必须拆除，使得拱肋完成分离式多点支撑状态到裸拱状态的体系转换。此阶段体系转换的关键是支架的拆除顺序，不同的拆除顺序会对拱肋的应力、变形和稳定性产生较大的影响，为避免由于不合理的拆除顺序可能使拱肋应力应变的变化产生较大的波动性甚至跳跃式发展，以及由此造成的后期支架受力过大需强行拆除而带来的能量突然释放对拱肋安全产生的不利影响，实现对拱肋支架拆除过程的控制，对该阶段的结构受力状态和变形情况进行监控与预测是十分必要的。根据实际临时支架的位置事先建立了计算模型，据此通过对拱肋临时支架的整个拆除过程进行仿真优化对比分析，最终确定拆除方案为从中心向两侧同时对称拆除。

在整个拆除过程中，监测结果表明，上述拆除方案使拱肋的应力、线形变化十分平缓，较好地完成了从多点支撑状态到裸拱状态的体系转换，此阶段的转换技术是成功的。如表1 所示，拆除支架后拱肋线形部分节段实际测量值与理论计算值吻合很好，全桥拱肋横向偏位和高程最大差值均在工程允许误差范围内。

表1 拱肋线形部分节段理论计算值和实际测量值对比

4 结语

总而言之，每一座桥梁的建造都关乎人民群众的生命财产安全。因此，在施工过程中应该合理规划具体的作业流程，对各个施工流程的完成质量开展实时监测，结合实际情况，科学调整拱肋结构的外观形态，并严格分析其受力情况，为拱肋施工的安全性、稳定性提供必要保障，顺利完成桥梁建设，营造安全、良好的交通环境，切实提高桥梁工程的质量水平。本文的研究工作，大大丰富了我国在施工控制领域的科研成果，为类似复杂体系桥梁的建设提供了有价值的技术参考。