連續(xù)鋼桁拱橋中跨合龍施工技術(shù)分析

彭南越

摘要：某高速公路大橋鋼梁采用臨時(shí)支墩搭設(shè)膺架半懸臂拼裝法架設(shè)，并在中跨設(shè)置臨時(shí)桿件代替柔性吊索對(duì)拱桁進(jìn)行臨時(shí)支承。文章分析了該大橋施工特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)臨時(shí)支墩卸載和頂落梁、鋼桁拱預(yù)偏、縱移等技術(shù)措施有效消除了合龍口各位移差，確定合龍桿件按照下弦、斜桿、上弦和系桿的順序進(jìn)行逐步調(diào)整和安裝，避免不同位移調(diào)整措施之間的相互影響，使鋼桁拱按照設(shè)計(jì)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度進(jìn)行順利精確合龍，最大程度減少大噸位鋼桁拱在頂落梁和縱移等重大工序上的工作量，確保了大橋架設(shè)精度和結(jié)構(gòu)受力安全。

關(guān)鍵詞：鋼桁拱；懸臂拼裝；臨時(shí)支墩；合龍；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：U448.22⁺4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2013）05-0124-03

1 工程概況

某高速公路大橋采用連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)，跨徑為（108+288+108）m，橋面總寬43.5m。鋼桁拱2片主桁間距為37m，主跨下拱圈矢高55m。2片主桁拱之間設(shè)有縱、橫向聯(lián)結(jié)系，采用與下弦（或系桿）焊接的正交異性整體橋面板。主拱肋通過(guò)柔性吊桿與剛性系桿連接，傳遞橋面恒載和活載。主桁拱肋上、下弦桿、邊跨下弦桿以及系桿采用焊接箱形截面；腹桿采用焊接H形截面。主桁和橋面系鋼材采用Q370-q D，聯(lián)結(jié)系鋼材采用Q345 q D。吊桿采用鋼絞線整束擠壓拉索，吊桿最大長(zhǎng)度為58m。

大橋立面總體布置如圖1所示，鋼桁拱橫斷面構(gòu)造如圖2所示。

2 總體施工方案及中跨合龍?zhí)攸c(diǎn)

較多的大跨度連續(xù)鋼桁拱橋邊跨采用膺架法半懸臂架設(shè)，中跨采用臨時(shí)吊索塔架的輔助施工方法。而該大橋連續(xù)鋼桁拱的邊跨和中跨均采用半懸臂架設(shè)，臨時(shí)結(jié)構(gòu)規(guī)模較為龐大，具體施工步驟如下：①邊跨鋼桁拱采用膺架法半懸臂架設(shè)。②中跨鋼桁拱根據(jù)設(shè)計(jì)要求分別在C13、C17兩個(gè)橋面系桿節(jié)點(diǎn)位置處設(shè)臨時(shí)支墩（南、北岸對(duì)稱設(shè)置，中跨共設(shè)4個(gè)臨時(shí)支墩），在對(duì)應(yīng)的橋面與拱肋間設(shè)置桁架式撐桿（見(jiàn)圖3和圖4）臨時(shí)替代柔性吊桿，以支承拱桁的懸臂部分。③中跨合龍節(jié)間設(shè)置在北岸E20′E21′節(jié)間，南岸架設(shè)至E20E21節(jié)間后，南岸上弦的架梁爬坡吊機(jī)退回至A17節(jié)點(diǎn)；北岸鋼桁拱架設(shè)至中跨E19′E20′節(jié)間，利用北岸架梁爬坡吊機(jī)架設(shè)合龍節(jié)間的桿件和橋面板。④中跨鋼桁拱合龍后，拆除臨時(shí)支墩和臨時(shí)立柱，張拉吊桿，鋪裝二期恒載。

中跨的臨時(shí)桿件、L5和L6臨時(shí)支墩的橫橋向布置如圖3所示，合龍前鋼桁拱的架設(shè)狀態(tài)如圖4所示。

該大橋的中跨合龍存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）中跨跨中合龍口存在上、下弦桿，斜桿和橋面剛性系桿有多個(gè)合龍點(diǎn)。由于大跨鋼桁拱橋在合龍前、后需要進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，合龍口兩側(cè)必然存在高程、里程和轉(zhuǎn)角的不同位移差；受到桿件制造誤差和現(xiàn)場(chǎng)拼裝誤差的影響，還可能存在軸線方向的位移差。

（2）中跨合龍前的單側(cè)臨時(shí)支墩起頂重量達(dá)2166t，起頂荷載大，臨時(shí)支墩承受巨大的支反力。在鋼桁拱縱移過(guò)程中需承受水平推力，臨時(shí)支墩的受力安全是合龍位移調(diào)整過(guò)程中的控制性條件之一。

因此，如何確定鋼桁拱多個(gè)合龍點(diǎn)的位移差調(diào)整順序和調(diào)整量、在大噸位鋼桁拱位移調(diào)整的同時(shí)確保鋼桁拱和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的受力安全是大橋施工過(guò)程中最重要的技術(shù)難題。通過(guò)對(duì)中跨合龍口各種可能的位移差調(diào)整措施進(jìn)行詳細(xì)研究，確定最優(yōu)的合龍方案，實(shí)現(xiàn)各合龍桿件按照設(shè)計(jì)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度精確合龍，最大程度減少大噸位鋼桁拱在頂落梁和縱移等重大工序上的工作量，有效地保證了大橋的架設(shè)精度和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的受力安全。

3 合龍技術(shù)

首先根據(jù)大橋的實(shí)際施工過(guò)程計(jì)算至鋼桁拱中跨合龍前的架設(shè)狀態(tài)。以此狀態(tài)作為合龍分析的初始條件，對(duì)各種可能的技術(shù)措施進(jìn)行理論計(jì)算，如臨時(shí)支墩的頂落梁或卸載、環(huán)境溫差、對(duì)頂力，以及合龍桿件安裝順序等，從而判斷其是否有利于減少合龍口位移差，及其對(duì)位移差調(diào)整的影響程度。根據(jù)分析結(jié)果，確定合理可靠的合龍技術(shù)方案。

大橋連續(xù)鋼桁拱中跨合龍前鋼桁拱架設(shè)狀態(tài)如圖4所示：①南岸鋼桁拱安裝至E20E21節(jié)間，北岸鋼桁拱安裝至E19′E20′節(jié)間；②南岸架梁吊機(jī)前輪站位A17，北岸架梁吊機(jī)前輪站位A19′；③邊墩支座縱向可動(dòng)，主墩（拱腳）支座縱向臨時(shí)固定，中跨4個(gè)臨時(shí)支墩處約束對(duì)應(yīng)橋面節(jié)點(diǎn)的豎向位移。大橋連續(xù)鋼桁拱合龍前受力示意如圖5所示。

3.1合龍前的位移和內(nèi)力初始狀態(tài)

鋼桁拱中跨合龍前，懸臂端位移的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

合龍前南岸主桁桿件最大組合拉應(yīng)力為149.0MPa，最大組合壓應(yīng)力為168.6MPa；北岸主桁桿件最大組合拉應(yīng)力為119.7MPa，最大組合壓應(yīng)力為133.7MPa。L5臨時(shí)支墩和L6臨時(shí)支墩處臨時(shí)桿件的最大組合拉應(yīng)力為66.7MPa，最大組合壓應(yīng)力為61.4MPa。

3.2 L5臨時(shí)支墩支承卸載對(duì)拱桁合龍口位移的影響

計(jì)算合龍口兩側(cè)的L5臨時(shí)支墩支承單獨(dú)卸載工況，以分析其是否有利于減小中跨合龍口兩側(cè)位移差，以及其對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響。計(jì)算結(jié)果表明，L5臨時(shí)支墩的卸載有利于減小拱桁合龍口兩側(cè)的位移差，且鋼桁拱和臨時(shí)結(jié)構(gòu)受力均能滿足要求。

3.2.1對(duì)拱桁合龍口位移的影響

L5臨時(shí)支墩支承卸載前、后拱桁合龍口位移變化的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2的位移計(jì)算結(jié)果來(lái)看，合龍前L5臨時(shí)支墩支承卸載對(duì)拱桁合龍口處的位移差調(diào)整有以下優(yōu)勢(shì)：①使南、北岸鋼桁拱合龍口前端上拾約20mm，懸臂前端的轉(zhuǎn)角差也有所減小，有利于減小合龍口兩側(cè)豎向位移差；②減少一處支承邊界，降低靜定次數(shù)，有利于后續(xù)理論分析；③減少鋼桁拱頂落梁的作業(yè)點(diǎn)，可提高施工作業(yè)效率。

3.2.2對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

L5臨時(shí)支墩支承卸載前、后各鋼桁拱支點(diǎn)反力變化的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，L5臨時(shí)支墩卸載后，L6臨時(shí)支墩的支反力增大。對(duì)中跨L5臨時(shí)支墩卸載后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力驗(yàn)算，具體驗(yàn)算結(jié)果如下。

（1）鋼桁梁。L5臨時(shí)支墩支承卸載后，南岸主桁桿件最大組合拉應(yīng)力為157.1MPa，最大組合壓應(yīng)力為172.3MPa；北岸主桁桿件最大組合拉應(yīng)力為123.0MPa，最大組合壓應(yīng)力為138.3MPa。主桁桿件的最大壓應(yīng)力增大約4MPa，最大拉應(yīng)力增大約9MPa。最大組合應(yīng)力（172.3MPa）小于Q370鋼材施工階段容許強(qiáng)度（220MPa×1.2=264MPa）。

（2）代替吊桿的臨時(shí)桿件。L5臨時(shí)支墩支承卸載后，臨時(shí)桿件的最大組合拉應(yīng)力為67.4MPa，最大組合壓應(yīng)力為66.9MPa。臨時(shí)桿件最大拉應(yīng)力增大約1MPa，最大壓應(yīng)力增大約5MPa。最大組合應(yīng)力（67.4MPa）小于Q235鋼材施工階段容許強(qiáng)度（140MPa×1.3=182MPa）。

（3）L6臨時(shí)支墩。對(duì)于L6臨時(shí)支墩，在支反力和水平摩阻力（鋼桁拱縱移引起）共同作用下，通過(guò)限位措施將墩頂水平位移限制在4cm以內(nèi)時(shí)，L6臨時(shí)支墩鋼結(jié)構(gòu)的最大組合拉應(yīng)力為125MPa，最大組合壓應(yīng)力（162MPa）小于Q235鋼材施工階段容許強(qiáng)度（140MPa×1.3=182MPa），鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。對(duì)L6臨時(shí)支墩整體和構(gòu)件進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。

驗(yàn)算結(jié)果表明，主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)受力均能滿足《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.2-2005）和《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025—1986）要求。

3.3合龍口的位移敏感性分析

3.3.1拱桁

在L5臨時(shí)支墩卸載的條件下，對(duì)拱桁合龍口兩端4個(gè)合龍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行敏感性分析，分析結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4拱桁合龍口位移敏感性分析結(jié)果，L6臨時(shí)支墩起頂對(duì)拱桁豎向位移差的調(diào)整最有效。拱桁合龍口上、下弦節(jié)點(diǎn)的縱向位移差對(duì)L6臨時(shí)支墩起頂也比較敏感，合龍口上弦節(jié)點(diǎn)縱向?qū)敽奢d對(duì)豎向位移差和轉(zhuǎn)角差有一定影響，但遠(yuǎn)小于L6臨時(shí)支墩起頂?shù)拿舾谐潭取Ｕw溫度荷載對(duì)縱向位移差有較為明顯的影響，但對(duì)豎向位移差和轉(zhuǎn)角差影響較小。計(jì)算表明，橫向?qū)?000kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)E21產(chǎn)生的橫向位移為87mm，節(jié)點(diǎn)E20產(chǎn)生的橫向位移為-31mm，橫向?qū)群奢d對(duì)拱桁軸線偏位效果明顯。

3.3.2系桿合龍

拱桁合龍后，橋面系桿合龍口位移敏感性分析結(jié)果如表5所示。

根據(jù)分析結(jié)果，拱桁合龍后，L6臨時(shí)支墩頂落梁對(duì)系桿合龍口的豎向位移差和縱向位移差的影響均較為明顯；邊墩支座和L6臨時(shí)支墩頂落梁對(duì)縱向位移差的影響程度大致相當(dāng)，均較為明顯。南側(cè)C20C21橋面板的恒載、縱向頂拉等荷載對(duì)合龍口的豎向位移和縱向位移也有一定影響。

4 中跨合龍方案

根據(jù)大橋鋼桁拱合龍前的實(shí)際架設(shè)狀態(tài)，以及位移敏感性分析結(jié)果，確定中跨合龍口的位移差調(diào)整措施及合龍步驟如下：

4.1拱桁縱向里程位移差調(diào)整。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，理論狀態(tài)下拱桁合龍口所需的里程差調(diào)整量為249mm。北岸邊跨鋼桁拱架設(shè)完畢，在調(diào)整鋼桁拱的里程和中心時(shí)，將北岸鋼桁拱預(yù)先縱移至所需調(diào)整量，初步消除拱桁合龍口的里程差，避免大噸位鋼桁拱在合龍前的大幅度位移調(diào)整。

4.2拱桁豎向位移和轉(zhuǎn)角差調(diào)整。鋼桁拱縱向里程差調(diào)整完畢，先對(duì)L5臨時(shí)支墩進(jìn)行卸載，然后測(cè)量拱桁合龍口上、下弦4個(gè)合龍節(jié)點(diǎn)的豎向、縱向和橫向的實(shí)際位移差，根據(jù)位移敏感性分析結(jié)果，拱桁合龍口的高程和轉(zhuǎn)角位移差調(diào)整措施為：南岸鋼桁拱的L6臨時(shí)支墩起頂265mm，北岸鋼桁拱的L6臨時(shí)支墩起頂205mm。

4.3拱桁合龍。位移差基本消除后，再利用溫差或頂拉設(shè)施微調(diào)里程和中線差，待具備合龍條件時(shí)，精確合龍下弦桿E21E20′，此時(shí)斜桿E21A20′的節(jié)點(diǎn)間距也與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度基本相等，安裝斜桿。此時(shí)上弦節(jié)點(diǎn)距離比桿件設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約小1cm，利用對(duì)頂設(shè)施調(diào)整間隙，合龍上弦桿A21A20′。下弦合龍后，及時(shí)釋放北岸拱腳支座的縱向臨時(shí)約束。

4.4橋面剛性系桿合龍。拱桁合龍后，橋面剛性系桿合龍口比設(shè)計(jì)長(zhǎng)度小199mm。將南、北岸L6臨時(shí)支墩起頂量分級(jí)下落至設(shè)計(jì)高程，系桿合龍口隨之緩慢張開(kāi)，當(dāng)系桿合龍口張開(kāi)至略大于設(shè)計(jì)值時(shí)，安裝系桿，然后利用溫差或頂拉設(shè)施微調(diào)后精確合龍。

4.5安裝合龍節(jié)間橋面板，完成中跨鋼桁拱合龍。

4.6在中跨合龍過(guò)程中，對(duì)鋼桁拱的線形、關(guān)鍵受力桿件的應(yīng)力、以及臨時(shí)支墩的墩頂水平偏位等重要控制指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并按照既定限值進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

某高速公路大橋是一座主跨288m的連續(xù)鋼桁拱橋，采用半懸臂拼裝方法施工，在中跨跨中合龍時(shí)，合龍口的多個(gè)合龍點(diǎn)在高程、里程、軸線以及轉(zhuǎn)角等方向存在不同位移差，且臨時(shí)結(jié)構(gòu)規(guī)模大、鋼桁拱噸位重。為確定有效的位移調(diào)整方案來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼桁拱的精確合龍，對(duì)合龍位移調(diào)整措施進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：拱桁合龍口的里程位移差可通過(guò)鋼桁拱的縱向預(yù)偏或縱移進(jìn)行消除，其高程和轉(zhuǎn)角的位移差通過(guò)臨時(shí)支墩頂落梁調(diào)整最為有效；橋面剛性系桿合龍口的高程和里程的位移差可通過(guò)臨時(shí)支墩頂落梁進(jìn)行消除；各合龍點(diǎn)的軸線位移差可通過(guò)橫向?qū){(diào)整。