陈广杉，施海涛，吴玲玲
安徽省路港工程有限责任公司 安徽 合肥 230022
摘要：该项目为大跨度下承式钢箱系杆拱桥，为确保桥梁的体系转变后符合设计初衷，需对施工全过程进行监控。采用Midas/Civil有限元分析软件建立计算模型，通过监控计算和仿真分析，对施工过程中的结构内力和位移进行有效地分析，计算和预测，控制大跨度拱桥的最终线形在设计允许的误差范围内，从而保证桥梁在全生命周期的安全性和耐久性。
关键词：钢系杆拱桥 施工监控 Madis 有限元分析 仿真计算
1 工程概况
某主桥结构形式为135m下承式钢箱系杆拱桥。拱肋为等高度钢箱结构，拱肋立面线形为二次抛物线，跨度135m，矢高27.25m，两片拱肋间距22m。拱肋宽度2m。拱肋沿拱轴线方向设置横隔板。桥面采用正交异性板。两片拱肋间采用横撑连接，横撑为一字型式，全桥共4道。吊索在拱桥横截面内横桥向布置4根吊杆，全桥共设置52根吊杆。
2、施工过程的精细化仿真计算
2.1 设计符合性计算
（1） 计算模型
正式施工前需对设计进行符合性计算，确保施工过程中的监控数据准确，本桥采用桥梁专业有限元软件Midas Civil 2019建模计算，拱肋、系梁、纵梁、横梁与横肋均采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉的桁架单元模拟，全桥共划分705个节点，1040个单元，模型中各结构构件截面采用图纸中的截面尺寸，计算模型如图1所示。
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图1 大桥主桥成桥模型
（2） 主要验算结果
① 拱肋、系梁应力验算结果
1、基本组合下拱肋应力验算
根据JTG D60-2015规范条款，基本组合下拱肋上缘最大压应力为122.0MPa，拱肋下缘最大压应力为74.1MPa。
2、基本组合下系梁应力验算
根据JTG D60-2015规范条款，基本组合下系梁上缘最大压应力为84.6MPa，系梁上缘最大拉应力为38.5MPa。基本组合下系梁下缘最大拉应力为104.5MPa。
② 挠度验算
桥梁必须具有一定的竖向刚度，以保证结构的耐久性和行车的安全。计算挠度值不应超过《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中规定的简支或连续板梁限值不大于L/500，L为计算跨径（当荷载作用与一个跨径内有可能引起该跨正负挠度时，计算挠度为正负挠度绝对值之和）。静活载作用下本桥竖向位移如下图2所示。
图2 汽车荷载（不计冲击）作用下竖向位移图（mm）
由仿真模型可知，在不计冲击力的汽车车道荷载作用下系梁最大挠度为41.7mm＜L/500=264mm，满足规范要求的挠度限值。
③ 吊杆应力验算
成桥后吊杆应力分布如下图3所示，吊杆应力验算详细见表1所示，最大应力为345MPa，最大应力小于规范限值900MPa，满足要求。
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图3 成桥后吊杆应力图（单位：MPa，图中为单侧双吊杆应力）
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（2） 验算结论
通过对该主桥成桥状态进行分析，得到如下结论：
1、成桥阶段拱肋、系梁应力、变形满足规范要求；
2、成桥阶段挠度验算满足规范要求；
3、成桥阶段吊杆应力验算满足规范要求。
3 吊杆张拉力的确定方法
完成符合性计算后，根据仿真模型计算吊杆张拉力，本桥采用的是正装迭代法确定吊杆的张拉力，正装迭代法的基本原理是：首先假设一组吊杆初始张拉力，按照施工步骤得到一个成桥状态，将其与设计成桥状态相比较，按照最小二乘法原理使得两个成桥状态尽可能接近，以此修正吊杆张拉力，重复进行正装计算，直到满足收敛准则。
根据实际施工过程中的分组对称张拉以及拱桥结构受力特点，对不同的吊杆张拉顺序进行了分析研究，对吊杆张拉过程进行了数值模拟，求出了各施工阶段吊杆的受力，控制截面的内力和控制点的位移，对结果进行了分析，从而得出合理可行的吊杆张拉方案。
为了方便表述吊杆张拉顺序及过程，对该桥吊杆按桩号从小到大依次进行编号（D1-D13），吊杆张拉顺序及张拉力见表2所示，计算的成桥后吊杆索力及设计成桥索力对比见表3所示。
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4 施工控制仿真计算
符合性计算完成后，根据施工图设计文件拟定的材料类型、结构尺寸及施工顺序，采用Midas空间有限元程序对施工过程进行仿真分析计算，计算内容考虑结构恒载、分阶段施工流程、温度变化、施工荷载、体系转换、二期恒载和活载效应，并按照施工组织设计中的桥梁施工顺序，计算结构变形、结构内力和应力分布状况，对设计进行全面的复核计算。对于该桥梁采用正装迭代法进行施工全过程仿真计算，即根据实际施工进程划分工况，依次计算每一工况下结构的受力状况和变形状态，为施工监控指令提供理论依据。
4.1 施工阶段划分
该主桥的施工仿真计算中施工阶段的划分按照实际的施工顺序，考虑各种施工荷载的影响，全桥共划分为13个关键施工阶段，计算采用激活和钝化相关单元、边界和荷载进行施工阶段分析。
全桥系梁横桥向两侧各12个节段（包括拱脚部分），共24个节段；吊杆横桥向两侧各26根，共52根吊杆；拱肋横桥向两侧各15个节段（包括拱脚部分），拱30个节段。为了便于表述各个施工阶段，现将系梁、吊杆及拱肋各节段进行编号，各关键施工阶段划分及编号详见表4。
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4.2 施工阶段验算结果
4.2.1 支承反力
主桥桥墩从小里程向大里程依次编号为8#、9#，各墩顶支承反力计算结果均为18628.8kN，该支承反力为结构施工完成后恒载自重。
4.2.2 关键施工阶段拱肋、系梁应力及变形
受篇幅所限，这里选取了钢箱系杆拱桥施工阶段划分表中的系梁合拢、正交异性板安装后以及桥面系施工后的工况进行对比、，关键施工阶段的结构最大正应力及变形见图5-图7，各施工阶段的最大位移和最大应力见下表5所示。
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由表5和图4-图6可以看出，整个施工过程中，随着施工构件的拼装，拱肋及系梁位移及上下缘最大应力逐步增大，整个施工过程，各结构构件应力均未超过规范规定的钢结构应力限值270MPa。
4.2.3施工预拱度计算及控制方法
由于本桥跨度大，钢结构变形也大，为了车辆过桥时，车辆能比较平顺地通过桥梁，设计给出该桥梁的预拱度为60mm，在钢拱桥架设后，由于恒载的预拱度因恒载作用而消失，桥梁在无活载及满跨净活载时，跨中的变位值均等于1/2（预拱或下挠）。根据仿真模型得出恒载加1/2活载作用下拱肋竖向位移如图7所示。
图7 拱肋预拱度图
通过上图可知，拱肋跨中预拱度为56.6mm，与设计预拱度60mm基本吻合。
结语
通过midas模型的建立在施工监控阶段对下承式钢箱系拱桥关键结构参数在施工的各个阶段进行分析，并对主要的结构参数进行了具体介绍，得到以下结论：
（1）通过Midas/Civil有限元分析软件建立计算模型，进行设计符合性计算，成桥阶段拱肋、系梁应力、变形、吊杆应力、整体挠度验算均满足规范要求。
（2）通过对该桥梁吊杆张拉力，拱肋的内力、应力变化的仿真建模分析计算，在成桥运营阶段，吊杆最大内力491Mpa，最大应力345Mpa，安全系数2.6，符合规范要求。
（3）在桥面系施工后，主梁在跨中位置迎来最大竖向位移60.8mm，在该施工阶段需要对其进行重点观测。
参考文献
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[5]郑晓龙 下承式组合梁系杆拱桥荷载试验研究 工业安全与环保 2020, 46(12)：1-6
第一作者简介：陈广杉（1969年12月6日），性别 男，籍贯(安徽省、合肥市)，毕业于安徽大学企业管理专业，研究生，高级工程师。专业方向：土木工程。