鴨綠江界河公路大橋主橋最大雙懸臂施工臨時(shí)墩應(yīng)用分析

吳宏業(yè)

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

鴨綠江界河公路大橋主橋最大雙懸臂施工臨時(shí)墩應(yīng)用分析

吳宏業(yè)

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

本文首先分析了大跨度斜拉橋臨時(shí)墩的設(shè)置目的，并調(diào)研國內(nèi)主要大跨度斜拉橋臨時(shí)墩的設(shè)置情況。結(jié)合中朝鴨綠江界河公路大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)討論了大橋臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)原則，并對(duì)鴨綠江界河公路大橋進(jìn)行了臨時(shí)墩設(shè)置有限元模擬分析，確定了臨時(shí)墩需承受的拉壓荷載，指導(dǎo)了本橋的監(jiān)控與施工。

斜拉橋；臨時(shí)墩；懸臂施工

1 工程概況

鴨綠江界河公路大橋長3026m，主橋總體布置如圖1所示，主橋采用主跨636m的鋼箱梁斜拉橋。大橋跨越鴨綠江，建成后將成為中朝兩國的陸路口岸通道，是我國目前最大的界河橋梁。

本橋孔布置 （86+229+636+229+86）m， 為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，連續(xù)半漂浮體系。主梁采用正交異性鋼橋面板扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主梁橫斷面布置如圖2所示。梁高3.5m，寬33.5m。H型索塔，高194.6m，采用箱形變截面，塔底截面尺寸10.0×7.0m，塔頂截面7.0×5.0m，基礎(chǔ)采用40根直徑2.5m的鉆孔樁基礎(chǔ)。輔助墩及過渡墩采用箱型墩，承臺(tái)底面設(shè)置10根直徑2.5m的鉆孔樁。斜拉索為高強(qiáng)平行鋼絲斜拉索，扇形布置，主梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距16.0m，全橋共4×19對(duì)斜拉索，分別為PES7-121～PES7-253等5種類型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，主橋的施工方案為：中方側(cè)梁段采用橋面吊機(jī)架設(shè)，對(duì)稱懸臂拼裝；朝方側(cè)江側(cè)梁段采用橋面吊機(jī)架設(shè)，岸側(cè)采用支架施工。

2 臨時(shí)墩設(shè)置的機(jī)理及原則

由于吊裝無法做到同步，在大跨徑斜拉橋懸臂施工過程中，雙懸臂的兩側(cè)梁段會(huì)存在一定的吊裝時(shí)間差，且由于節(jié)段截面構(gòu)造尺寸較大，重量相對(duì)較重，這種工況就會(huì)產(chǎn)生較大的臨時(shí)性不平衡荷載，帶來較大的不平衡彎矩，施工方案示意圖如圖3所示。該不平衡彎矩需要由塔梁臨時(shí)固結(jié)措施來抵抗，進(jìn)而傳遞給塔柱及基礎(chǔ)。值得注意的是，當(dāng)雙懸臂狀態(tài)達(dá)到一定長度 （通常指懸臂長度達(dá)150m以上時(shí)），這種不平衡施工荷載將對(duì)索塔尤其是塔根部產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，如果出現(xiàn)意外落梁情況及橫橋向強(qiáng)風(fēng)等非正常荷載時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致索塔結(jié)構(gòu)受損，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致安全事故。因此當(dāng)雙懸臂較大或施工環(huán)境惡劣時(shí)，在施工過程中一般在邊跨適當(dāng)位置設(shè)置臨時(shí)墩。主梁架設(shè)時(shí)，將主梁與臨時(shí)墩進(jìn)行臨時(shí)錨固，起著豎向或橫橋向的約束作用，如果出現(xiàn)意外落梁或橫橋向強(qiáng)風(fēng)，臨時(shí)墩將有效改善塔梁的受力狀況。

圖3 施工方案示意圖 （單位：m）

3 中朝鴨綠江界河公路大橋考慮的不平衡荷載

3.1 目前國內(nèi)同類橋梁設(shè)置情況

國內(nèi)已經(jīng)建成或在建的主跨600m以上鋼箱梁斜拉橋主梁施工的最大雙懸臂長度設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)見表1所示。

表1 國內(nèi)主跨600m以上鋼箱梁斜拉橋的主梁最大雙懸臂長度統(tǒng)計(jì)

從表1統(tǒng)計(jì)情況可以看出，國內(nèi)跨度在600m以上的鋼箱梁斜拉橋在施工中多數(shù)采用設(shè)置臨時(shí)墩的方式減小最大雙懸臂長度，主梁最大雙懸臂長度均小于160m。施工期計(jì)算偏載安全系數(shù)以1.3或2.0為主。

3.2 本橋已采用的臨時(shí)錨固措施

目前鴨綠江大橋設(shè)計(jì)采用了兩種塔梁臨時(shí)固定措施，第一種為縱向臨時(shí)拉索如圖4所示，設(shè)置位置與阻尼器相同，主要目的是為了抵抗不平衡彎矩及水平荷載；第二種為縱向限位器如圖5所示，焊接在鋼箱梁腹板外側(cè)，靠近索塔塔柱設(shè)置，主要目的是為了抵抗不平衡水平扭矩。

圖4 臨時(shí)拉索布置圖

圖5 縱向限位器布置圖

3.3 本橋采用的施工期計(jì)算偏載安全系數(shù)及荷載工況計(jì)算

主要計(jì)算以下豎向不平衡力荷載： （最大雙懸臂工況豎向不平衡力按照 “一個(gè)節(jié)段意外落梁沖擊力+橫向風(fēng)荷載引起的豎向升舉力”考慮。）

（1）落梁沖擊力

《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》 （JTG/T D65-01-2007）并未對(duì)落梁的沖擊系數(shù)提出具體要求，而《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范 （試行）》 （JTJ027-96），對(duì)于懸臂拼裝的結(jié)構(gòu)，要乘以落梁沖擊系數(shù)2.0，但此設(shè)計(jì)規(guī)范已隨著設(shè)計(jì)細(xì)則的實(shí)施而作廢。因而經(jīng)綜合比較，在鴨綠江界河公路大橋設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)采用的鋼箱梁懸臂拼裝施工階段不平衡荷載工況為：一個(gè)拼裝梁段 （意外落梁）重量的1.3倍 （含沖擊力）+橫向風(fēng)的升舉力。

（2）向風(fēng)荷載產(chǎn)生的豎向升舉力

斜拉橋鋼箱主梁的風(fēng)荷載豎向升舉力P計(jì)算如下：

式中：CL—升舉系數(shù)，依規(guī)范本橋取0.35；V—設(shè)計(jì)風(fēng)速，本橋主橋高度處設(shè)計(jì)風(fēng)速為32.5m/s。施工階段風(fēng)速重現(xiàn)期按20年考慮，風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)η=0.88；S—陣風(fēng)系數(shù)，本橋岸側(cè)取1.61；b—箱梁寬度，本橋箱寬為33.5m；

計(jì)算結(jié)果為，岸側(cè)升舉力P1=15.5kN/m，江測(cè)升舉力P2=0.5·P1=7.75kN/m。

4 本橋理論仿真計(jì)算及結(jié)果

采用Midas Civil程序建立了本橋有限元桿系模型，如圖6所示。全橋離散為510個(gè)梁?jiǎn)卧?52個(gè)受拉索單元。

邊界條件為：

（1）索塔底部固結(jié)。鋼箱梁與下橫梁約束豎向位移，與塔柱約束橫向和轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

（2）輔助墩處約束豎向位移。

（3）過渡墩處約束豎向和橫向位移。

（4）臨時(shí)墩處約束豎向位移。

圖6 鴨綠江大橋主橋計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算當(dāng)鋼箱梁A12/J12梁段安裝完畢，懸臂端A13/J13梁段意外落梁為最不利工況。對(duì)應(yīng)的是A7號(hào)斜拉索位置。因此考慮鴨綠江大橋在邊跨A7號(hào)斜拉索梁端錨點(diǎn)里程處 （距索塔中心117m）設(shè)置臨時(shí)支墩，其墩頂支反力計(jì)算結(jié)果見表2。表中支反力為正值時(shí)，表示墩頂需要受壓；支反力為負(fù)值時(shí)，表示墩頂需要抗拔。

表2 主梁臨時(shí)支墩墩頂支反力計(jì)算結(jié)果 （單位：kN）

在主梁最大雙懸臂 （輔助墩合龍前）、和最大單懸臂 （中跨合龍前）等特殊工況下，臨時(shí)支墩的最大正反力為4800kN（受壓，↑），最大負(fù)反力為-3050kN （抗拔，↓）。

5 鴨綠江界河公路大橋臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)布置型式

作為臨時(shí)性工程，臨時(shí)墩的設(shè)置原則是安全、經(jīng)濟(jì)、有效。本橋臨時(shí)墩施工過程中主要承受塔梁不平衡拉壓荷載。安裝過程中首先需承受鋼箱節(jié)段的自重荷載，待吊裝該梁段后，將鋼梁與臨時(shí)墩臨時(shí)錨固。在邊跨合龍后，為避免過渡墩兩側(cè)出現(xiàn)挑扁擔(dān)的受力形式，雙懸臂體系轉(zhuǎn)化為單懸臂體系，同時(shí)解除臨時(shí)約束。

本橋的臨時(shí)墩由鋼管樁、鋼立柱、上下平聯(lián)、斜撐、支撐梁、錨固梁等組成，布置圖見圖7所示。錨固梁上端設(shè)置吊耳與橋面鋼箱梁連接。采用打入鋼管樁基礎(chǔ)，在最低水位以上焊接鋼管平聯(lián)形成框架墩，再將框架墩垂直向上延伸，形成臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)。臨時(shí)墩下部結(jié)構(gòu)為Ф820×10的鋼管樁，樁間采用Ф426×8的鋼管作平聯(lián)，2I25a的型鋼作斜撐，上設(shè)5I56a支撐梁。上部結(jié)構(gòu)為Ф820×10的鋼立柱，Ф426×8的鋼管作平聯(lián)，2I25a作為斜撐。

圖7 臨時(shí)墩立面布置圖

6 結(jié)論

通過對(duì)鴨綠江界河公路大橋臨時(shí)墩設(shè)計(jì)的討論可以得出以下結(jié)論：

（1）主梁臨時(shí)支墩擬設(shè)在邊跨A7斜拉索梁端錨點(diǎn)的鋼箱梁橫隔板處 （距離索塔中心117m）。

（2）在主梁原最大雙懸臂 （輔助墩合龍前）、和最大單懸臂 （中跨合龍前）等特殊工況下，臨時(shí)支墩墩頂?shù)淖畲笳戳?800kN（受壓，↑），最大負(fù)反力為-3050kN （抗拔，↓）。

（3）在正常施工過程中，可要求岸側(cè) （邊跨側(cè)）的梁段首先起吊，待穩(wěn)定后方進(jìn)行江側(cè) （中跨側(cè)）梁段的起吊，可有效避免臨時(shí)墩承受過大的拉力荷載，方便臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)。

（4）在主梁懸臂架設(shè)過程中，輔助墩和過渡墩支座未出現(xiàn)負(fù)反力。過渡墩支座在個(gè)別工況下正反力較小，為了防止支座出現(xiàn)負(fù)反力，在過渡墩合龍后，將解除臨時(shí)墩約束。

［1］劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計(jì) ［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］上海長江隧橋B5標(biāo)中交二航局項(xiàng)目經(jīng)理部及成都合眾橋梁科技有限公司.上海長江大橋臨時(shí)結(jié)構(gòu)反力計(jì)算 ［Z］.2006.

［3］上海長江隧橋B5標(biāo)中交二航局項(xiàng)目經(jīng)理部.上海長江大橋鋼箱梁安裝方案 ［Z］.2007

［4］李宗平.上海長江大橋主橋臨時(shí)墩設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究［J］ .橋梁建設(shè)， 2008 （04）： 70-73.

Application Analysis of the Largest Double Cantilever Construction Temporary Pier of the Main Bridge of Yalu Boundary River Bridge

WU Hong-ye

In this paper,the purpose of setting temporary pier of long-span cable-stayed bridge is analyzed and the setting of temporary pier of the main long-span cable-stayed bridge is investigated in China.Combining with the characteristics of the structure of the Yalu river border highway bridge,the design principle of temporary pier is discussed,the finite element simulation analysis of temporary pier of the Yalu river highway bridge is set up to determine the temporary pier under tension and compression loads so as to guide the monitoring and construction of this bridge.

cable-stayed bridge,temporary pier,cantilever construction

U445.4

A

1008-3812（2017）06-001-04

2017-09-29

吳宏業(yè) （1981— ），男，黑龍江省綏化市人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師。研究方向：現(xiàn)代橋梁理論與設(shè)計(jì)，橋梁養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)。