大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋拱肋安裝方案研究

高庚元

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410111）

1 項(xiàng)目概況

新建武漢至十堰鐵路為時(shí)速350km/h的高速鐵路，在湖北省安陸市跨越府河。為了滿足后期府河Ⅵ航道的通航規(guī)劃，設(shè)計(jì)采用大跨度橋梁跨越河道?？缭桨碴懜又骱拥赖闹鳂虿捎茫?0+200+90）m連續(xù)剛構(gòu)拱橋，全長(zhǎng)381.5m（含兩側(cè)梁端至邊支座中心線各0.75m）。主橋采用剛性梁，柔性拱結(jié)構(gòu)。主梁為單箱雙室直腹板變高度截面。鋼管拱為平行拱雙管結(jié)構(gòu)，拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴形截面，截面高度3.3米，單肢拱肋管徑1.2m，兩榀拱肋之間中心距11.9m，拱肋跨度200m，矢高40m。兩榀拱肋之間共設(shè)11道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根直徑φ500×14mm的鋼管組成。鋼拱肋的重量約為770t。

2 拱肋施工方案比選

根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求，本橋施工采用先梁后拱的施工方案，即主梁懸臂施工工完成后再安裝拱肋結(jié)構(gòu)，張拉吊桿。由于主梁懸臂澆筑為常規(guī)的施工方案，對(duì)其不做深入的研究，但是拱肋施工根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)場(chǎng)施工條件擬定了兩種施工方案。

2.1 拱肋豎轉(zhuǎn)方案

拱肋豎轉(zhuǎn)為比較成熟的施工方案，在宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋及廣珠鐵路西江特大橋均是采用主梁合龍后再梁上豎轉(zhuǎn)拱肋的施工方法。因此本橋首先考慮的施工方案為梁上豎轉(zhuǎn)方案，方案布置如圖1所示。在主梁施工完成后安裝拱肋臥拼支架，及豎轉(zhuǎn)塔架。施工時(shí)，先豎轉(zhuǎn)一側(cè)拱肋到位，再施工另一側(cè)，最后安裝合龍段完成拱肋的安裝。

圖1 拱肋豎轉(zhuǎn)支架施工布置

2.2 原位拼裝與大節(jié)段提升協(xié)作方案

拱肋劃分為三段進(jìn)行施工，其跨度為45.66m+1.6m（合段）+107.08m+1.6m（合攏段）+45.66m，兩邊跨采取原位拼裝施工方法，中跨采取整節(jié)段提升吊裝施工方法。如圖2所示。主要施工步驟是：①完成拼裝支架施工，采用汽車吊分節(jié)段原位吊裝兩邊跨拱肋，如圖3所示。②采用汽車吊吊裝中跨拱肋，將中跨拱肋拼裝成整體；同時(shí)采用塔吊拼裝吊架，如圖4所示。③采用連續(xù)千斤頂整體提升中跨拱肋至設(shè)計(jì)位置，焊接合攏，拆除吊架及拱肋支架，如圖5所示。

2.3 方案比較

針對(duì)與豎轉(zhuǎn)施工與原位拼裝與大節(jié)段提升協(xié)作方案從大臨結(jié)構(gòu)設(shè)施工程量、施工周期對(duì)比、施工條件等三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 大臨結(jié)構(gòu)設(shè)施工程量

圖2 拱肋提升支架施工布置

圖3 拱肋提升支架施工步驟一布置

圖4 拱肋提升支架施工步驟二布置

圖5 拱肋提升支架施工步驟三布置

表1

從表1中得提升支架法施工大臨結(jié)構(gòu)工程量較省。

2.3.2 施工周期對(duì)比

從表2～3中得提升支架法施工周期時(shí)間較短。

2.3.3 施工條件對(duì)比

由于條件限制豎轉(zhuǎn)塔架錨固在地面上，但一側(cè)錨固位置地下沙土層較厚，需要大面積開挖后才能施工拉索的錨固結(jié)構(gòu)，這樣既破壞了耕種土體也要在后期耗費(fèi)財(cái)力物力去移除錨體；另一側(cè)處于府河河道內(nèi)，錨固結(jié)構(gòu)施工是在河道內(nèi)開挖。根據(jù)工期計(jì)劃拱肋安裝在府河的汛期，根據(jù)相關(guān)部門規(guī)定汛期內(nèi)不得占用河道施工，同時(shí)也給豎轉(zhuǎn)作業(yè)造成很大風(fēng)險(xiǎn)。另外，若將豎轉(zhuǎn)拉索錨固在主橋邊墩主梁隔墻位置，在豎轉(zhuǎn)施工過程中，拉索在邊跨隔墻位置要產(chǎn)生3500kN的拉力，其中豎向拉力為2200kN。主梁邊跨在全橋合龍后，拱肋豎轉(zhuǎn)時(shí)僅有2440kN的豎向壓力，因此在施工過程中可能會(huì)使得邊墩支座出現(xiàn)拉力。這樣就需要在邊墩與主梁邊隔墻中埋置豎向精軋螺紋鋼筋以克服拱肋豎轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的豎向拉力。這些精軋螺紋鋼筋需要預(yù)先錨固在邊墩內(nèi)，并要露出墩頂一定長(zhǎng)度，保證在主梁施工時(shí)有接長(zhǎng)的空間。且不說給主梁邊跨直線段施工以及后其拆除帶來的麻煩，主要的問題在于，露出的鋼筋頭占用了架橋機(jī)架設(shè)簡(jiǎn)支梁時(shí)支腿的位置，這樣給箱梁架設(shè)造成阻礙。而且拱肋豎轉(zhuǎn)施工難度較大，控制精度要求高，需找專業(yè)施工作業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工；而拱肋提升支架法施工提升高度低，所有支架及錨固在主跨內(nèi)部不占用其他位置，其控制難度較小。

表2 豎轉(zhuǎn)施工方案施工周期表

表3 原位拼裝與大節(jié)段提升協(xié)作方案施工周期表

在對(duì)材料投、施工周期以及施工條件進(jìn)行對(duì)比分析后確定采用采用原位拼裝與大節(jié)段提升協(xié)作方案。

3 拱肋提升方案的相關(guān)計(jì)算

根據(jù)拱肋的施工方式，需要根據(jù)施工荷載對(duì)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，以保證主梁在拱肋施工過程中的安全性。

3.1 拱肋支架反力

拱肋施工均在梁面進(jìn)行施工作業(yè)，故需對(duì)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力檢算，其荷載為拼裝支架及吊架的反力。

工況一：拱肋整節(jié)段拼裝完畢且張拉后施工工況。

圖6 拱肋吊裝荷載圖示

工況二：拱肋整節(jié)段提升施工工況。

圖7 拱肋提升荷載圖示

3.2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

在主梁合龍后要進(jìn)行拱肋的安裝施工，拱肋安裝及提升兩個(gè)工況的荷載如圖6～7所示。拱肋安裝施工所用汽車吊根據(jù)吊裝的需要選用80t及，汽車吊總重為50t，跨中吊裝約為15t，考慮配重后，總重量按70t計(jì)。吊車作業(yè)是在順橋向支腿的間距為6.2m，支腿上作用的荷載分別是35t和35t。主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖8所示。

按照容許應(yīng)力法對(duì)全橋的施工過程和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行檢算，計(jì)算采用以下假定：

（1）計(jì)算采用平面桿系單元進(jìn)行，縱向計(jì)算主梁按全截面受力考慮，不計(jì)剪力滯效應(yīng)的影響；

（2）預(yù)應(yīng)力構(gòu)件不考慮普通鋼筋參與抗彎受力；

（3）鋼管混凝土單元具體劃分為鋼管單元和管內(nèi)混凝土單元，二者變形協(xié)調(diào)；

（4）雙吊桿簡(jiǎn)化為單根吊桿單元；

（5）在結(jié)構(gòu)各構(gòu)件相交而形心不在同一點(diǎn)，均設(shè)置剛臂；

（6）不考慮橋面附屬結(jié)構(gòu)參與主體結(jié)構(gòu)受力；

（7）拱肋安裝完成后吊桿索力張拉及運(yùn)營(yíng)階段的活載及其他荷載均按設(shè)計(jì)文件采用。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如下：

圖8 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

如圖9～10，在施工階段主梁上緣最大壓應(yīng)力為16.3MPa，位置在0#節(jié)段靠近邊跨位置。下緣最大壓應(yīng)力為15.42MPa，位置在邊跨3/4跨位置。下緣最大拉應(yīng)力為0.90MPa，位置在中跨跨中。根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.4條規(guī)定，主梁的壓應(yīng)力小于0.75fc=0.75×40=28MPa，主梁拉應(yīng)力小于 0.7fct=0.7×3.5=2.45MPa。因此，結(jié)構(gòu)在施工階段應(yīng)力滿足要求。

圖9 主梁施工階段上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖10 主梁施工階段下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

如圖11～12，在運(yùn)營(yíng)階段主梁上緣最大壓應(yīng)力為18.68MPa，位置在主跨跨中附近。下緣最大壓應(yīng)力為14.2MPa，位置在邊跨3/4跨位置。無拉應(yīng)力。根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.10條規(guī)定，主梁的壓應(yīng)力小于0.55fc=0.55×40=22MPa。因此，結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力滿足要求。

圖11 主梁施工階段上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖12 主梁施工階段下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

4 結(jié)束語

采用原位拼裝與大節(jié)段提升協(xié)作方案，主梁在施工過程中和運(yùn)營(yíng)階段主梁縱向應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。在橫向上通過設(shè)置預(yù)埋支點(diǎn)拱肋安裝臨時(shí)鋼管通過分配梁，傳遞到主梁兩側(cè)腹板上，保證了箱梁頂板在集中荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全性。因此，在保證主體結(jié)構(gòu)安裝全性的前提下，在考慮經(jīng)濟(jì)、合理及施工條件的的因素項(xiàng)目部采用拱肋提升支架施工方案，保證優(yōu)質(zhì)、安全、高效的完成主拱的施工任務(wù)。本橋的施工方案研究可為后期類似橋梁的施工提供有益的參考。