宽截面钢箱梁拱桥施工监控技术研究

期刊: 建筑监督检测与造价 2026年第04期 DOI: 10.67328/BT1891 PDF下载

宽截面钢箱梁拱桥施工监控技术研究

李颖

浙江中能工程检测有限公司    杭州 311106

摘要：桥梁施工监控是确保桥梁建设质量和安全的重要环节。随着城镇规模的扩大和人口的增加，城市桥梁需要拓宽，增加截面宽度使得在这类桥梁施工监控中，除了需要关注纵向线形变化、应力分布问题外，还需关注横向线形、应力等参数。这对桥梁施工监控提出了新的要求。本文对宽截面钢箱梁拱桥施工过程中结构质量监控进行了分析，基于Midas/Civil有限元分析软件和钢箱梁拱桥结构特点，结合相关标准规范要求，对桥梁结构应力-应变、吊杆力（索力）等的监控技术进行了分析和研究。

关键词：施工监控；宽截面钢箱梁；拱桥；吊杆力

1. 研究背景

我国城市桥梁建设发展迅速，同时钢铁产量也不断增加，基于发挥钢结构在桥梁性能方面的优势，国家于2016年颁布了《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，推进了公路钢结构桥梁建设。城镇规模的扩大和人口的增加带来了道路的拥堵问题，需扩宽原有道路，增加车道。这使得新建桥梁虽然跨径不大，但是截面加宽。随着桥宽的增大，桥面板在恒载的作用下，横向应变增大规律值得研究。除了需要关注纵向线形变化、应力分布问题，还需关注横向线形、应力等。在宽幅钢箱梁关键施工中，宽截面的钢箱梁在自重和二期恒载的作用下箱梁的横向挠度问题，在设计中也必须予以考虑[1]。此外，施工过程中钢箱梁原本封闭的全截面被分割成开口不对称截面，易使钢箱梁的受力与变形在吊装、临时支撑过程中发生改变，因此在分段吊装施工中需要采取加固措施，必要时进行动态的变形监测[2]。

2. 宽截面钢箱梁桥结构特点

‌ 宽截面钢箱梁桥的显著特征是桥梁的宽跨比大。宽跨比是指桥梁水平跨度与桥面宽度的比值。宽跨比决定了桥梁的荷载传递方式、梁体的稳定性以及抗震能力等重要性能。通常情况下，桥梁宽跨比越大，其抗扭性能越好。但随着拱桥主梁截面宽度加宽，在荷载作用下横向弯矩加大。

宽跨比越大，所需的横向刚度和纵向刚度越大，附加应力也越高。因此，在选择宽跨比时，需要根据具体情况选择合理的范围，以确保桥梁的安全性和稳定性。公路拱桥主拱圈宽度通常情况下不小于跨径的1/20，跨径增大，宽跨比则减小。按相关设计规定，当主拱圈的宽跨比小于1/20时，应验算其横向稳定性以确保拱的安全可靠。桥梁宽跨比小于0.5时，可用单梁模型进行计算，桥梁宽跨不小于0.5时，应采用梁格模型进行结构静力分析。宽跨比还影响着桥梁荷载的传递方式。当宽跨比较小时，荷载主要通过横向结构传递，而当宽跨比较大时，荷载则主要通过纵向结构传递。因此，在选择桥梁结构类型时，也需要结合宽跨比等因素进行综合考虑。

3. 施工监控工程概况

某钢拱桥长116m，桥梁桥跨布置为（13+86+13）m，桥面宽47m，宽跨比0.55，属于宽截面桥。主桥采用下承式钢箱拱桥，桥墩采用一字墙桥墩，墩、台均采用承台+群桩基础。拱轴线为二次抛物线，主桥总体施工方案为先梁后拱，依次按照吊杆编号安装并初张拉吊杆，钢拱桥见图1。

图1

该桥相关设计要求如下：

（1）主拱合龙后横向坡度误差不大于0.15%。

（2）组焊拼装应在桥面与底板之间的温差小于±2℃的条件下进行。主梁与拱肋设置位差为±5℃，以保证结构受力性能与设计一致。

（4）各梁段应准确测量吊杆锚固点的位置、梁段长度，误差要求控制在±2mm范围内。半跨主纵梁总长度的累积误差要求不大于15mm。

（5）钢箱梁竖向线形误差：78m跨最大误差为±8mm，且线形匀顺。钢箱梁中心偏位最大误差为±5mm，横向各对称点标高最大误差为±3mm。

（6）吊杆误差：控制在±5%的成桥状态理论计算索力以内，横向两对称索的索力误差在±3%以内。

4.  钢拱桥限元模型理论分析

采用Midas/Civil有限元分析软件，根据设计图对全桥总体结构建立能反映施工工况的有限元模型，采用梁格法建立模型，纵梁和相应横梁可以先在CAD中进行划分网格，钢拱桥拱肋设置为梁单元。

钢拱桥吊杆设置为桁架单元，桁架单元定义为空间二力杆，钢拱桥钢箱梁设置为梁单元和板单元。模型单元划分的原则为：主梁按结构分段设置节点，主梁与吊杆相交截面设置节点，监测内力、位移所在的截面设置节点，主拱按分段设置节点，主拱和吊杆相交处设置节点。施工过程中用的临时支撑、墩与主梁的连接按照刚性连接处理。计算分析中，边界条件选择桥梁支座设置为铰接支座，梁主要以竖向受弯为主，即绕铰接支座弯曲，对边界纵向、垂直方向进行约束，支座弯曲横向不约束，具体有限元模型及分析见图2所示。

图2

5. 模型分析结果

在依据设计资料和施工工序，对钢拱桥计算模型在理想状态下进行分析，分析结果如下：

（1）架设拱肋并拆除拱肋支架后，钢拱桥最大位移为拱肋竖向-2.39mm，经吊杆初次张拉后，钢拱肋受力主要为拱肋自重和钢箱梁部分自重，钢拱桥最大位移为拱肋竖向-16.7mm。此时应力、位移响应不明显。

（2）吊杆二次张拉后，桥梁整体受力由钢拱、吊杆、钢箱梁组合作用，最大位移为拱肋竖向-17.7mm，对应钢箱梁吊杆附近顶板、底板竖向最大位移均为8.7mm，钢箱梁宽度方向最大横向位移4.8mm。吊杆张拉完成后，拱肋最大应力为53.6MPa。钢箱梁顶板、底板位移和钢箱梁横向位移略有变化。

（3）拆除钢梁支架后，钢拱肋受力主要为拱肋和钢箱梁结构全部自重，钢拱桥最大位移为拱肋竖向-19.4mm，对应钢箱梁顶板竖向最大位移为10.8mm，底板竖向最大位移为6.9mm，钢箱梁位移最大处位于吊杆与箱梁连接部位附近。钢箱梁底板宽度方向横向位移-4.2mm，横向应力15.8MPa。

（4）二期荷载增加后，钢拱桥最大位移为拱肋竖向-32.3mm，钢箱梁顶板、底板位移和钢箱梁横向位移变化不大，拱肋最大应力为86.2MPa，因二期荷载中主要荷载为桥面铺装，且铺装为均布荷载，故钢箱梁横向位移、应力变化宜不明显。

（5）最终成桥后，按照钢拱桥在组合荷载等作用下分析，最大位移为拱肋竖向-41mm，对应钢箱梁顶板竖向最大位移为10.8mm，底板竖向最大位移为6.9mm，钢箱梁底板宽度方向横向位移-4.2mm，横向应力22.6 MPa，拱肋最大应力为97MPa。

（6）由分析结果可知，按照施工工序，有序合理调整吊杆索力，主梁应力变化幅度小于拱肋应力变化幅度，且拱肋最大应力在材料设计指标范围内，并有足够的安全系数保证。在钢箱梁自身结构刚度保证下，施工过程中宽截面钢箱梁横向位移和应力可控制在有限变化范围内。

6. 施工监控成果分析

（1）沉降、位移监控 

在桥梁主体施工期间1#桥墩沉降值为3mm、2#桥墩沉降值为2mm。桥墩整体沉降均匀，未发生突变。从临时支撑沉降监测结果可知，在桥梁主体施工期间，桥墩临时支撑整体沉降均匀，未发生突变，桥墩临时支撑在监控期间处于稳定状况。该拱桥拉杆与桥面系的钢箱梁合二为一，按照施工工艺和流程，拱肋和主梁施工过程未对桥墩产生明显水平力。对于临时支撑的跨中截面测点有遮挡的情况，监测中要采用引测点间接测量。

（2）温度监控

监测截面主要控制点在桥梁长度方向截面处，在同一截面处宽度方向范围测点内主梁无温差，拱肋最大温差1℃，温差变化不大。温度检测结果表明，在主要作业面和作业时间内，作业温差在技术要求许可范围内，工作场地的环境温度符合设计和施工工艺的要求。除日光照射局部影响外，同时间段内钢箱梁纵向和横向不同区域温差变化不大。

（3）线形、变形监控

通过首次张拉吊杆前、吊杆张拉结束、临时支撑拆除、成桥状况这几个不同施工阶段的主梁、拱肋线形监测结果看，桥梁线形控制良好，和理论线形吻合。同时对截面宽度方向线形监测结果表明，钢箱梁在具有一定刚度的条件下，构件自身变形可控。在临时支撑作用下，拼接接口处错边情况得以有效控制。现吊杆张拉后场拼接预拱度与自重挠度相抵消，在正常作业环境和施工工艺的条件下，所监测的桥梁主梁和拱肋高程整体上满足相关技术要求。

吊杆张拉前主梁横向变形最大值位于2-27测点，最大变形0.422mm，吊杆张拉后主梁横向变形最大值位于2-28测点，最大变形0.415mm，临时支撑拆除后主梁线形主梁横向变形最大值位于2-30测点，最大变形0.416mm。此时的最大变形并非位于跨中截面处，这主要是因为吊杆张拉和临时支撑拆除对箱梁造成应力分配变化，局部受力尚未达到最终状态造成的。成桥状况主梁线形横向变形最大值位于2-17测点，最大变形0.416mm，此时二次铺装已完成，钢箱梁受到铺装均布荷载，应力分配相对均匀，横向变形最大值回归于跨中截面处，与理论分析一致。

主梁横向变形最大主梁挠度最大值为4.8mm未超过理论计算挠度5.4mm。主拱垂直度最大偏差11.5mm。通过理论分析，随着拱桥主梁截面宽度加宽，在荷载作用下横向弯矩加大，对应侧主拱垂直度会有一定的影响。施工过程中控制好主梁横向线形，在临时支撑拆除和吊杆张拉工序中监控措施有效，横向弯矩对主拱垂直度影响是可以控制的。

（4）应变（应力）监控

理论分析上，钢箱梁上顶板为受拉应力状态，下底板为受压应力状态。监测结果显示，吊杆首次张拉结束时，主梁应力最大处位于北侧跨中5#测点，最大值为31.6MPa，此时部分北侧钢箱梁受力为压应力，部分应力为拉应力，南侧钢箱梁受力均为拉应力，且各测点应力值比较离散。这说明首次张拉对只对吊杆起到了初步张紧作用，对箱梁均匀张拉作用尚未体现。因此吊杆后续二次张拉应通过监测和分析后，综合考虑张拉顺序和力值大小。

临时支撑拆除后，主梁应力最大处位于北侧1/4截面3#测点，最大值为11.45MPa，此时南、北侧钢箱梁基本体现为拉应力状态，且各测点应力值相对比较均匀，这说明在对吊杆有序张拉后，钢箱梁应力得到了合理分配，在拆除临时支撑拆除后应力影响不大。

成桥状况时，在二次铺装均布荷载作用下，钢箱梁各测点均处于拉应力状态下，最大应力23.94MPa位于北侧1/4截面3#测点。在上述监控状态下，拱肋各截面上下测点应力监测结果表面，拱肋始终处于压应力状态，最大应力-68MPa。钢箱梁横向应力最大值始终位于中线测点处，主梁宽度方向横向应力监测显示，在横向轻微变形存在的情况下，主梁产生了一定的横向应力，相比与纵向应力，横向应力值偏小。监测结果与理论分析结果基本一致。相关研究结果表明，在横向荷载作用下，钢箱梁横隔板间距布置不同对箱梁应力影响不同，应力最大值出现在拱梁结合段跨中截面，钢箱梁横隔板位置宜与吊杆位置对应设置[3]。

（5）吊杆力监控

依据施工步骤中的吊杆张拉顺序，每次张拉前后计算吊杆力理论值，并测量现场实际吊杆力大小。如出现偏差，需通过监测和计算有序调整相关吊杆力大小，控制吊杆力在误差范围内，而不是直接调整存在偏差的吊杆，导致应力分配和索力控制失控。

第一次张拉结束后，南侧、北侧吊杆力最大值均位于14#吊杆。编号位置对应的南、北侧吊杆力存在差值，最大差值位于8#吊杆，吊杆力相差73kN，跨中截面处和靠近支座处两侧吊杆力相差相对较小。这说明吊杆只处于初步张拉阶段，箱梁各吊点受力不均匀，临时支撑仍起着支撑作用，应该注意临时支撑的沉降状况。

临时支撑拆除后，此时二次张拉已完成，整体吊杆力普遍加大，南侧、北侧吊杆力最大值处仍位于14#吊杆。编号位置对应的南、北侧吊杆力最大差值位于10#吊杆，吊杆力相差83kN，跨中截面处和靠近支座处两侧吊杆力相差仍相对较小。此时钢箱梁除端部支座处以外，变形控制主要依靠吊杆张拉和自身刚度，监控时除了监测各吊杆力值大小外，还有关注同编号位置下吊杆力的实测差值，差值过大会带来横向受力不均匀，应监测横向应力和挠度。

成桥状况下，随着二次铺装完成，整体吊杆力测值继续增大，此时钢箱梁受力状况发生变化，南侧、北侧吊杆力最大值处位于4#吊杆，编号位置对应的南、北侧吊杆力最大差值处位于14#吊杆，吊杆力相差109.6kN。南侧吊杆力普遍大于北侧吊杆力，这说明在控制线形和合理成桥的要求下，吊杆力的大小是根据现场实际情况调整得来的，最终监测桥梁成桥吊杆内力误差基本在控制在10%范围内，即可满足施工验收的技术要求。在后续桥梁运营监控中，要关注吊杆力的变化趋势。

7. 结语

钢箱梁本身就是一个比较复杂的结构，除了常规监测参数和部分结构宽度方向等需要考虑的问题外，仍有很多问题的解决需要新技术、新理论的发展才能得以实现。总线技术、无线技术的应用可以减少设备的数量，提高监测系统的灵活性和可靠性，采用大数据分析技术对数据进行处理和分析将成为趋势，将监测数据以可视化的方式展示出来，能够更直观地了解桥梁的状态和变化趋势。

参考文献

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