黃 華，蒲少杰，李小祥

（1.深圳市前海建設(shè)投資控股集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.同濟大學(xué)，上海市 200082）

0 引 言

隨著我國城市化進程的不斷推進，大眾對精神層面的審美要求不斷提高，城市橋梁不僅需要滿足基本的交通通行需求，對其建筑景觀功能也提出了更高的要求[1-5]。橋梁獨特的景觀造型給施工帶來一定的難度。

梁拱組合體系橋梁以拱結(jié)構(gòu)豐富多變造型、梁拱組合形式和景觀表現(xiàn)手法多樣等特點而廣泛使用于城市橋梁的建造。其中，拱結(jié)構(gòu)主要用于承壓，梁結(jié)構(gòu)主要承受彎矩作用，梁拱組合體系共同抵抗結(jié)構(gòu)荷載[6-7]，充分利用了拱、梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點，降低了對橋址處地基的要求，達(dá)到節(jié)約材料、節(jié)省成本的設(shè)計目標(biāo)[8-9]。

深圳夢海前灣河橋采用下承式簡支鋼箱拱橋，是一座超寬幅的梁拱組合鋼結(jié)構(gòu)景觀拱橋。由于該橋地處城市主干道，采用超寬幅橋面和異形拱肋的結(jié)構(gòu)形式，施工采用先梁后拱的少支架方案，主要構(gòu)件均為空間曲線造型，施工技術(shù)難度較高，對施工精度控制和質(zhì)量控制提出了一定的挑戰(zhàn)。

1 工程概況

深圳夢海前灣河橋跨越前灣河水廊道，全長161.22 m，橋面寬46.5 m，采用簡支拱梁組合體系鋼橋，由主拱架、主梁、剛架、橫向聯(lián)系桿、吊桿等構(gòu)件組成，如圖1 所示。本橋以“護佑之翼”為主題進行設(shè)計，凸顯前海地區(qū)獨特的建筑藝術(shù)和城市景觀，最終設(shè)計方案如圖2 所示。

圖1 夢海前灣河橋總體造型方案

圖2 夢海前灣河橋鳥瞰效果圖

空間剛架拱由3 道獨立的單箱拱架組成，并用過橫向聯(lián)系桿件連接，各橫斷面大致為三角形結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。主梁采用封閉的正交異形板鋼箱梁，箱梁全寬為46.4 m，兩側(cè)懸臂寬為5.25 m，箱梁中心處梁高為2.3 m。側(cè)分帶上的剛架由剛架立柱和剛架梁組成，起到人車分離的作用，跨中最低高度為8.73 m，橋梁兩端最高為11.42 m。在主拱和剛架之間每隔7.05 m 設(shè)置一道變截面橫向聯(lián)系桿件，并向剛架外側(cè)伸展，延伸至人行道外側(cè)，體現(xiàn)出展翅騰飛的造型效果。

圖3 夢海前灣河橋立面及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

全橋共設(shè)置3 道吊桿面，中間索面共21 對，采用平行鋼絲柔性吊桿，拉索上、下錨點分別采用可張拉式冷鑄錨頭和叉耳式耳板，分別錨固于主梁和拱架；兩側(cè)各設(shè)置一個19 道不銹鋼棒索面吊桿，分別錨固于人非混行道上面橫向聯(lián)系桿和人行道梁上。

2 施工方案

本橋施工采用“先梁后拱”的施工方法。主梁在橋位處的拼裝平臺上與上一次輪的母梁匹配，二次組裝成大節(jié)段，完成后依次拖拉1 段母梁至大里程側(cè)安裝位置在支架上進行吊裝焊接。鋼箱梁全部焊接完成后，復(fù)測鋼箱梁線形符合設(shè)計要求，在鋼箱梁頂部安裝拱肋安裝支架，利用130 t 汽車吊分段從兩端向中間對稱吊裝各拱肋分段，至拱頂合龍，完成主拱肋的安裝。

主拱肋全部安裝完成后，利用25 t 汽車吊安裝主拱肋吊桿、拱肋支架托架，拆除拱肋拼裝支架后依次從拱腳向跨中對稱張拉吊桿。然后在橋面上搭設(shè)剛架的安裝支架，剛架采用130 t 汽車吊，左右兩側(cè)的剛架均是從中間向兩邊對稱安裝。先吊裝剛架立柱，然后吊裝立柱之間的橫梁，最后從大里程向小里程依次安裝剛架的內(nèi)外側(cè)橫向連接系桿件。

兩側(cè)剛架和橫向聯(lián)系桿件，與主拱形成整體后，第二次張拉中間吊桿，先拆除橋面上的支架，再拆除橋下支架，完成結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換；安裝人行道板，安裝邊吊桿并張拉，安裝防撞護欄、欄桿、鋪裝以及伸縮縫等附屬設(shè)施。

3 施工關(guān)鍵問題分析

本橋梁拱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主拱采用三維空間曲線造型，主梁為超寬幅橋面，節(jié)段大、分段多，對廠內(nèi)制造、現(xiàn)場安裝的測量定位、線形控制提出了更高要求。

3.1 超寬幅橋面的主梁制造與安裝精度控制

受制于加工制造和運輸條件，主梁在縱橫方向上都采用分塊預(yù)制，架橋時整體組拼焊接、拖拉施工。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫向劃分為17 個節(jié)段，縱向劃分為13個節(jié)段，如圖4 所示。各劃分梁段在組拼時都有唯一的空間位置，因此，對拼裝焊接階段提出較高的精度要求，以保證組拼后，梁體結(jié)構(gòu)橫、縱雙向表面平順，保障結(jié)構(gòu)的受力性能。

圖4 主梁（標(biāo)準(zhǔn)段）結(jié)構(gòu)示意圖

為解決以上問題，在施工詳圖設(shè)計時利用BIM技術(shù)，精確控制各分段結(jié)構(gòu)在施工和成橋階段的空間位置，設(shè)計施工圖以三維空間和二維平面結(jié)合。加工制造時，參照設(shè)計圖及制造工藝要求，采用計算機對各構(gòu)件模擬放樣并核定檢驗。按工藝要求制作必要的角度、槽口、樣板和胎架樣板，在組拼架設(shè)前，在工廠內(nèi)進行預(yù)拼，保證組裝精度在可控范圍內(nèi)；現(xiàn)場實際架設(shè)時，采用較高精度的校準(zhǔn)系統(tǒng)輔助拼裝。

3.2 異形主拱的制作與安裝精度控制

主拱為由3 個單獨拱架聯(lián)系而成的空間結(jié)構(gòu)，鋼橋面到拱架頂部的距離為23.382 m。主拱結(jié)構(gòu)造型豐富，制造和現(xiàn)場的安裝難度大，對測量定位、線形控制要求高。

為精確控制拱肋線形，在設(shè)計階段考慮安裝組拼的要求，基于BIM 進行三維建模、碰撞檢查、計算機虛擬拼裝等技術(shù)手段確保制造和安裝方案的可行性。在鋼構(gòu)件制造時整體放模制作、預(yù)拼裝，確保線形和精度后再拆分為節(jié)段運輸至現(xiàn)場進行二次組拼，在預(yù)拼裝胎架上劃出3 向控制線和控制點，供施工現(xiàn)場精確定位安裝。在施工監(jiān)控中，采用空間有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行高精度仿真分析，考慮臨時支架及結(jié)構(gòu)的整體剛度的影響，通過合理的施工預(yù)拱度設(shè)置保證最終成橋后的拱肋及橋面線形達(dá)到成橋目標(biāo)狀態(tài)（見圖5）。

圖5 拱肋制造線形數(shù)據(jù)

3.3 吊桿張拉方案及精度控制

吊桿張拉在主拱安裝后進行，由于本橋主副拱肋和吊桿體系布置復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的空間受力行為受吊桿張拉影響顯著，且吊桿張拉力控制受相鄰吊桿的張拉力相互影響。因此，必須做好精細(xì)化計算模擬，張拉過程中精確控制張拉力，并提前設(shè)置應(yīng)急預(yù)案。

此外，吊桿下料長度的計算是此類橋梁結(jié)構(gòu)的難點之一。影響下料長度的因素包括主梁、拱肋的安裝誤差，吊桿張拉過程的實際伸長量誤差、吊桿張拉過程中主拱和梁的實際變形誤差。若正誤差較大，會造成錨頭外露情況，影響美觀；若產(chǎn)生負(fù)誤差，則會導(dǎo)致無法張拉。

首先，吊桿張拉大小及順序優(yōu)化通過幾種張拉方案的對比計算，確定最優(yōu)的施工方案，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。其次，基于合理的成橋狀態(tài)和拱、梁拼裝誤差，計算吊桿的無應(yīng)力下料長度，為張拉作業(yè)提供保障。再次，吊桿張拉千斤頂?shù)倪x型和精度應(yīng)與張拉噸位匹配，確保張拉控制水平符合精度控制要求。最后，對吊桿張拉過程進行監(jiān)測，并對張拉誤差進行分析，提出合理的調(diào)整方案，確保最終的成橋吊桿力符合設(shè)計要求。

3.4 臨時支撐體系受力性能分析

本橋采用“先梁后拱”的施工方法，主梁和主拱在形成體系之前采用鋼管樁進行臨時支撐。由于結(jié)構(gòu)自重較大，且施工過程中的臨時荷載復(fù)雜，支撐體系的受力狀態(tài)一直處于變化狀態(tài)。構(gòu)件眾多的縱橫梁體系可能存在由于局部支撐失效導(dǎo)致整體倒塌情況，支撐體系的穩(wěn)定與安全性存在一定的控制難度。

為了保障臨時支撐體系在整個施工過程中的受力安全，建立精細(xì)化有限元模型，如圖6 所示。對橋梁結(jié)構(gòu)安裝過程中出現(xiàn)的各類最不利荷載效應(yīng)進行計算，驗證結(jié)構(gòu)的受力、變形特性，對于受力較大的構(gòu)件，提出施工過程中的安全保障措施，并嚴(yán)格控制構(gòu)件的現(xiàn)場連接施工質(zhì)量、現(xiàn)場臨時荷載大小。

圖6 臨時支撐體系空間計算模型

4 施工過程監(jiān)控與成果

4.1 有限元建模

本計算采用空間桿系有限元進行建模計算。其中，拱肋、系梁、剛架及橫向連接系采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。全橋共劃分844 個節(jié)點、916 個單元。有限元模型見圖7。

圖7 夢海前灣河橋Mida s 空間計算模型

通過對過程模擬，計算得到施工階段和使用階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)、變形和吊桿力，為施工監(jiān)控提供理論參照。并通過施工監(jiān)控信息系統(tǒng)，對施工數(shù)據(jù)進行全過程管控，確保施工質(zhì)量，如圖8 所示。

圖8 施工監(jiān)控信息系統(tǒng)應(yīng)用

4.2 線形監(jiān)測

主梁縱向共11 個測試斷面，每個斷面3 個位移測點，共計33 個主梁位移測點。拱肋線形監(jiān)測截面共7 個，測點布置如圖9 所示。

圖9 主梁及拱肋標(biāo)高測點縱向布置示意圖

成橋狀態(tài)下，通過對夢海前灣河橋橋梁頂各控制點高程通測數(shù)據(jù)分析，主梁標(biāo)高實測值與理論值的誤差為-27～26 mm，主梁線形誤差均控制在±30 mm以內(nèi)，橋面整體線形總體平順，滿足規(guī)范要求，如圖10 所示。

圖10 成橋狀態(tài)下主梁整體線形折線圖（單位：m）

通過對夢海前灣河橋拱肋線形分析，拱肋完成后標(biāo)高實測值與理論值的誤差在±10 mm 以內(nèi)，表明拱肋的拼裝精度滿足設(shè)計要求，如圖11 所示。

圖11 主橋拱肋完成后標(biāo)高誤差圖（單位：mm）

4.3 應(yīng)力監(jiān)測

對施工過程中主梁、主拱的受力情況進行監(jiān)測，應(yīng)力測點布置方案如圖12 所示。拱肋、主梁各布設(shè)5個應(yīng)力測試控制截面，每個斷面各布設(shè)6 個傳感器，全橋合計60 個應(yīng)力測點。采用振弦式應(yīng)力傳感器進行跟蹤測量。

圖12 主梁及拱肋測點布置圖

通過對施工過程主梁和拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測表明，實測應(yīng)力水平趨勢與理論計算相一致，如圖13、圖14 所示。應(yīng)力誤差水平均在10%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

圖13 成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力狀況（單位：MP a）

圖14 成橋狀態(tài)下拱肋應(yīng)力狀況（單位：MP a）

4.4 吊桿力監(jiān)測

通過現(xiàn)場油壓千斤頂拉拔和采集吊桿振動頻率，然后計算各個吊桿的吊桿力。通過對吊桿張拉過程索力進行監(jiān)測，其理論值與實測值如圖15 所示。成橋后各吊桿力誤差范圍為-2.6%～9.5%，實測索力與成橋索力誤差均控制在±10%范圍以內(nèi)（見圖16），滿足施工技術(shù)規(guī)范要求。

圖15 成橋狀態(tài)下吊桿力理論值與實測值對比分析圖

圖16 成橋狀態(tài)下吊桿力誤差圖

5 結(jié) 語

深圳夢海前灣河橋采用簡支梁拱組合體系鋼橋，充分利用了兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，體現(xiàn)了組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，也滿足了城市建設(shè)的景觀要求。在施工及監(jiān)控過程中取得以下結(jié)論：

（1）為滿足主梁制造和安裝精度要求，利用BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)的空間定位進行精確控制，在工廠內(nèi)進行預(yù)拼保障精度在可控范圍，并在實際架設(shè)過程中采用較高精度的校準(zhǔn)系統(tǒng)輔助組拼。

（2）為滿足異形主拱制造與安裝精度，充分利用BIM 技術(shù)驗證施工可行性，除在廠內(nèi)預(yù)拼裝外，在現(xiàn)場再進行二次組拼，確保最終安裝精度。同時在施工監(jiān)控中采用空間有限元進行計算仿真提供準(zhǔn)確的施工預(yù)拱度。

（3）為保證吊桿的張拉精度，對吊桿的張拉順序進行優(yōu)化?；诤侠沓蓸驙顟B(tài)，計算吊桿的無應(yīng)力下料長度。在實際張拉過程授中，保證吊桿張拉千斤頂?shù)倪x型和精度與張拉噸位匹配，并進行精細(xì)施工監(jiān)控，確保符合設(shè)計要求。

（4）通過對施工監(jiān)控結(jié)果與計算分析的對比，主梁線形和拱肋線形誤差均控制在±30 mm 以內(nèi)，主梁、拱肋關(guān)鍵位移應(yīng)力水平與理論值基本一致，實測成橋吊桿力與理論吊桿力誤差均控制在±10%范圍內(nèi)，滿足設(shè)計預(yù)期目標(biāo)要求。