徐志强
（天津生态城投资开发有限公司，天津300459）
[摘要]天津生态城运河故道桥梁工程“飘带”外形轻盈、通透。施工前，通过采用有限元软件建立桥梁结构和临时支撑体系组成的有限元模型，对钢箱梁整个安装过程进行数值模拟，得到各施工步骤下桥梁主要部位的受力和变形情况，判定施工方案的可行性和合理性；施工过程中，通过施工监测实时控制，确保了异形结构钢桥安全、顺利施工。
[关键词]安装；钢结构；桥梁；钢箱梁；拱结构；数值模拟；监测
[中图分类号]TU758 [文章编号]1002-8498(2016)09-0021-04
1 工程概况
该工程位于天津生态城03片区与04片区之间，工程全长959. 47m，双向四车道，是连接生态城南部片区、生态岛片区和北部、东北部片区的主要交通要道。其中主桥长270m，跨径布置为35m+50m x4 +35m．“飘带”外观造型轻盈美观（见图1）。其中上层飘带由主梁行车道和人行道的悬臂组成，在水平方向不变化；下层飘带由拱形支撑结构两侧的翼结构组成，它随着拱的延伸而不断改变高度、长度和角度，形成起伏飘动的姿态。
主桥钢箱梁为单箱双室截面，桥面宽度14m，双向4车道；结合景观方面考虑，上箱梁（主梁）顺桥向为变截面，其中底板保持横向水平，顶板设置1.5%的横坡，中心线处的高度为1.11m；下箱梁（主拱）标准段为等截面钢箱梁，顶、底板水平布置，梁高1.115m，顺桥向为不规则曲线；主梁和主拱在跨中范围合为梁拱结合段（见图2）。
2 梁体节段划分及支架体系方案
为实现桥梁整体景观效果，梁体采用不规则曲线，且在跨中处与主拱合为梁拱结合段。为满足运输和现场安装要求，梁段需分段制作、安装。
2.1 梁体节段划分
主桥上部结构由5个相似造型的主拱及主梁组成，梁顶板、底板及腹板板厚呈16~35mm交替变化。综合设计、运输及吊装要求，单幅桥主梁共划分22个制造梁段，主拱共划分25个制造梁段，其中主拱有10个节段与主梁连接在一起制作，吊装节段共37个。为了保证如此多的节段制作完成运输至现场安装后全桥线形符合设计标准，经过多方案比选，最终采用“多节段匹配制作、立体预拼装”的施工工艺进行全桥梁段制作，梁体节段划分如图3所示。
2.2 桥梁现场安装支架体系方案
1)主拱、主梁下支架 采用钢管格构型钢组合支架，每组支架为4根ɸ600×12钢管，组成格构支架；格构立柱之间用[ 16作为水平支撑和剪刀撑连接，共同支撑上部钢箱梁的质量；在支架立柱钢管顶部设置2132横梁，作为钢箱梁的小立柱支撑搁置点；横梁同时也是连接立柱成为整体的主要构件，如图4所示。
2)小立柱支架设置 主要是为了调节主立柱支架的高度，同时也便于总支架的拆除，一般高度控制在0.2~0. 35m。
3)挑梁下支架 横桥向一侧通过在主梁上设置牛腿支撑，另一侧在梁段环缝两侧搭设碗扣式脚手架作为支撑体系（见图5）。
3 施工过程仿真分析
施工前，采用有限元软件建立桥梁结构和临时支撑体系组成的有限元模型，对桥梁现场施工过程进行数值模拟，得到各施工步骤桥梁主要部位的受力和变形情况，以及临时支撑的轴力，判定桥梁安装及临时支撑卸载施工方案的可行性和合理性，根据数值模拟计算结果提出合理的施工建议；施工过程中，通过施工监测实时控制。
3.1 梁段受力与变形数值模拟
1)判断钢箱梁梁段吊点位置是否合理，计算吊装过程中梁段的应力与变形。
2)计算钢箱梁安装过程中的应力与变形，以及钢箱梁在支撑位置处的局部应力。
3)计算钢箱梁卸载过程中的应力与变形。
3.2 临时支撑体系受力与变形数值模拟
计算主桥钢箱梁在安装、支架拆除过程中I临时支撑体系各组成部分的强度、稳定性与变形。
4梁段吊装仿真分析
钢箱梁吊点横向一般在箱梁内部有支撑位置（即横隔板位置），纵向为节段的腹板位置的1／3处，吊点在长度、宽度方向尽量保证对称，还要考虑起重机的起吊能力、起吊高度等因素的影响，综合以上因素后确定的纵横向交点即为吊点位置。
根据梁体特点，分为主拱、主梁、梁拱结合段、挑梁4种情况进行仿真分析，按最不利原则，选取长度最长的梁段进行吊装数值模拟。模拟结果如表1所示。
5 安装过程数值模拟
梁段桥位安装施工流程为：先施工7～9号墩处梁段，然后施工5，6，10，11号墩处梁段。顺桥向按照“主拱一拱梁结合段一主梁”的施工顺序，中间3跨施工完成后进行边跨施工；最后从中墩向边墩依次、对称安装挑梁。
考虑到施工过程中各跨之间无相互影响，且各跨跨度和结构自重基本相同，故选取中跨桥段建立有限元模型模拟各施工安装步骤。
5.1 有限元计算模型建立
采用ANSYS有限元软件对施工模型进行简化并建立有限元模型。主梁与主拱箱梁的上下翼缘、腹板和横隔板采用she1163单元模拟，加劲肋采用beam188单元模拟，支撑柱采用beam188单元模拟。所有支撑柱对桥仅提供竖向约束，支撑点设置在箱梁纵、横加劲肋相交处。
5.2 安装过程数值模拟
根据现场拟采用的施工方案，各节段梁架设在支撑体系上进行焊接，安装挑梁和飘带以及拆除支撑过程按整体结构计算。施工步骤及分析结果如下。
1)架设8号墩处20号梁段（主拱） 20号节段自重较大，支承在小立柱上时横隔板产生局部应力，最大值为19. 4MPa，跨中最大变形为0.2mm。
2)架设8号墩两侧19，21号梁段（主拱） 19号节段简支状态下最大应力为10. 6MPa，跨中最大变形0. 2mm。
3)架设8号墩两侧16，22号梁段（梁拱结合段） 16号节段支承在小立柱上处于简支状态时，在连接主梁与主拱的腹板处出现应力集中，实际工程中腹板该处设置了倒角，可有效减小应力集中。小立柱支撑点处最大应力为32. 6MPa，节段最大变形为1. 1mm。
4)架设8号墩处18号梁段（主梁） 18号节段简支状态下，最大应力为25. 4MPa，节段跨中支撑点处横隔板最大应力为20. 8MPa；节段最大变形为0. 4mm。18号节段架设完成后，其支承柱连接的主拱上顶板出现应力集中，局部最大变形为0. 5mm．最大应力为49. 0MPa。
5)架设8号墩处17号梁段（主梁，合龙段）17号节段在简支状态下最大应力为28. 9MPa，位于左端牛腿支承点处，右端小立柱支承点处应力较小。节段最大变形为0. 4mm。17号节段架设完成后，与其右端支撑柱相连的箱梁翼缘处出现应力集中，最大应力为29. 7MPa，最大变形为0.3mm。
6)架设D类挑梁（自重33. 0t，长17. 6m） 6点支撑时，D类挑梁最大应力为39. 0MPa，最大变形为6. 5mm。
6 临时支撑卸载过程仿真分析
6.1 临时支撑拆除顺序
1)从中墩向边墩依次对称拆除挑梁下的临时支撑。
2)从中墩向边墩依次对称拆除主梁与主拱之间的临时支撑（8号墩→7号墩（9号墩）→6号墩（10号墩））。
3)从中跨向边跨依次对称拆除梁体与地面的临时支撑（7~8号墩（8~9号墩）→6～7号墩(9~10号墩) →5～6号墩（10~11号墩））。
6.2有限元计算模型建立
建立临时支撑卸载模型。主拱、主梁、挑梁及横隔采用she1163单元，部分加劲肋采用beam188单元。
桥墩处约束三向平动自由度（x，y，z向）。临时支撑轴向刚度650 000kN/m，偏安全未考虑其弹性，耦合主梁与主拱间临时支撑处竖向自由度（z向）。主拱下临时支撑约束竖向自由度（z向），计算模型施加自重荷载、端部压重及飘带荷载。
6.3 临时支撑卸载过程仿真分析
6. 3.1 拆除全跨挑梁下临时支撑
拆除全跨桥梁其他挑梁下临时支撑，最大变形出现在挑梁边，为2. 7mm，挠度与跨度比值约为1／5 700。结构最大应力为79. 3MPa，出现在6号墩跨加劲肋处，实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该集中应力。
6.3.2拆除主梁与主拱之间的临时支撑
拆除主梁与主拱之间的临时支撑，结构竖向最大变形为16. 4mm，挠度与跨度之比约为1/2 500。结构最大应力为157. 6MPa，最大应力出现在8号跨梁拱结合段加劲肋处，实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该处集中应力。
6.3.3拆除梁体与地面之间临时支撑
拆除梁体与地面之间的临时支撑，结构竖向变形最大值为33. 7mm，挠度与跨度之比约为111 300。结构最大应力为230. 1MPa，产生于梁拱结合段腹板处，实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该处集中应力，此时所有临时支撑已拆除，结构支墩及梁拱结合段应力较大。支墩边缘处应力约为102. 2MPa，梁拱结合段应力约为51. 1MPa。
7 施工过程桥梁监测
为了对成桥目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥后主体结构内力和线形满足设计要求，对工程主梁标高、主梁截面应力、墩柱变位、温度等内容进行施工监测。
7.1桥梁应力监测结果
施工过程中，按照拟定临时支撑拆除方案进行施工，对每种卸载工况进行监测，并将监测结果与理论计算值进行对比，卸载全部完成后对比数据如表2所示（8～9号墩），从表中可以看出，实测值（绝对值）<监控值（绝对值），主要是因为实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该处集中应力。
7.2成桥荷载试验
桥梁施工完成后，按照设计及规范要求进行荷载试验，结论如下。
1)试验荷载作用下，各控制截面测点处的挠度均小于理论计算值，挠度校验系数介于0. 49~0. 70，均≤1；相对残余变形介于0.37%~13. 90%，均≤20%，满足规范要求。
2)试验荷载作用下，各控制截面的实测应力值均小于其相应计算值，应力校验系数介于0. 49~0. 87，均≤1；相对残余应变介于0.00%~15. 00%．均≤20%，满足规范要求。
3)试验加载前后，梁体未发现裂缝或者开焊。
4)试验桥跨的实测1阶自振频率值2. 637Hz>计算值1. 645Hz。
5)-辆载重510kN的汽车以30km/h的速度行驶作用下，实测试验跨的最大动力增大系数为1. 158。
天津生态城中部片区经六路上跨蓟运河故道桥梁工程左幅主桥承载能力满足设计荷载要求。
8 结语
施工过程中，通过建立有限元模型，对钢箱梁梁段吊装、梁段安装、卸载过程进行仿真分析，为实际施工提供合理化建议；施工过程中，通过施工监测实时控制，确保了异形结构钢桥安全、顺利施工。
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