黃河流域下承式網(wǎng)狀系桿拱橋總體施工方案比選*

孫 濤，霍凱榮，李 博，朱小金，李昊天

(中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710119)

1 工程概況

濟(jì)南齊魯黃河大橋項(xiàng)目主橋?yàn)橄鲁惺骄W(wǎng)狀系桿拱橋，跨徑布置為 (95+280+420+280+95)=1 170m(見圖1)，采用公軌同層軌道居中的設(shè)計(jì)方案，上部結(jié)構(gòu)系梁采用正交異性組合橋面板組合梁，梁高4.12m，鋼箱梁設(shè)計(jì)寬度60.7m，梁上現(xiàn)澆12cm厚高強(qiáng)纖維混凝土。鋼拱肋采用五邊形鋼箱斷面，420m跨主拱水平投影矢高69.5m，矢跨比1/6， 主拱拱軸線采用2次拋物線，提籃形拱，拱肋內(nèi)傾角3.0°，拱腳之間的橫橋向軸線距離為14.568m。鋼箱梁總重37 473t，其中420m跨鋼箱梁重13 221t；拱肋總重14 175t，其中420m跨拱肋重 7 763t。

圖1 濟(jì)南齊魯黃河大橋主橋立面(單位：m)

黃河由于多年以來泥砂淤積的原因，導(dǎo)致有水不能通船、無水不能行車。需綜合考慮工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，研究鋼梁、拱肋的施工順序以及拱肋的安裝工藝。

2 主橋施工方案比選

2.1 鋼箱梁施工方案

根據(jù)現(xiàn)場條件，在黃河南岸布置鋼箱梁拼裝平臺，采用步履式千斤頂頂推施工安裝鋼箱梁[1-2]，次中跨、中跨分跨頂推。鋼箱梁9m為1個(gè)節(jié)段，每次在拼裝平臺上拼裝2～4節(jié)后進(jìn)行頂推。根據(jù)黃河水利委員會的管理要求，頂推臨時(shí)墩間距按72m控制。標(biāo)準(zhǔn)梁段構(gòu)造如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)梁段構(gòu)造

2.2 拱肋施工順序?qū)Ρ?/h3>

濟(jì)南齊魯黃河大橋?yàn)橄鲁惺焦皹?，鋼拱肋坐落在鋼箱梁上，無法采用先拱后梁施工工藝，本文主要對梁拱同步頂推施工方案[3]和先梁后拱施工方案進(jìn)行對比。

2.2.1梁拱同步頂推施工方案

在一整跨鋼箱梁拼裝完成后，在鋼箱梁上完成拱肋拼裝，再在拱肋和鋼箱梁之間設(shè)置臨時(shí)支撐，然后將鋼箱梁、拱肋整體頂推，頂推就位后，拆除臨時(shí)支撐、安裝吊索，進(jìn)行橋面混凝土施工。

2.2.2先梁后拱施工方案

鋼箱梁在拼裝平臺上逐節(jié)拼裝、逐節(jié)頂推。頂推就位后，進(jìn)行拱肋拼裝、吊索安裝以及橋面混凝土施工。

2.2.3方案比選

1)工期 由于鋼箱梁拼裝平臺的位置受限，鋼箱梁需在黃河南岸大堤的拼裝平臺上拼裝成型，頂推到北岸就位。

如采用梁拱同步頂推施工方案，北岸280m跨鋼箱梁拼裝完成后，需先完成北岸280m拱肋和臨時(shí)支撐的安裝，并同步頂推北岸280m跨鋼箱梁、拱肋整體結(jié)構(gòu)離開拼裝平臺后，方可進(jìn)行中跨420m跨鋼箱梁拼裝。同理，南岸280m跨鋼箱梁需待中跨420m跨鋼箱梁與拱肋整體頂推到位后方可進(jìn)行拼裝施工。

如采用先梁后拱施工方案，北岸280m鋼箱梁拼裝完成之后，將其往黃河北岸頂推離開拼裝平臺，在鋼箱梁頂推前移的同時(shí)，進(jìn)行中跨420m鋼箱梁拼裝和頂推前移施工。鋼箱梁頂推施工順序按照北岸280m跨、中跨420m跨、南岸280m跨依次進(jìn)行。在鋼箱梁頂推到位后，即可在已就位的鋼箱梁上進(jìn)行拱肋安裝。

通過對比，先梁后拱施工方案比梁拱同步頂推施工方案的施工工期可節(jié)省大約6個(gè)月。

2)經(jīng)濟(jì)性 梁拱同步頂推施工方案，在頂推施工之前，需在鋼箱梁與拱肋之間設(shè)置臨時(shí)支撐，將鋼箱梁和拱肋形成臨時(shí)桁架體系。頂推質(zhì)量為鋼箱梁、拱肋以及臨時(shí)支撐的總和，在頂推長度相等的情況下，頂推質(zhì)量大，對臨時(shí)墩的承載能力和頂推設(shè)備的性能要求高，臨時(shí)墩投入大。

先梁后拱施工方案中，單獨(dú)頂推鋼箱梁，落梁到位后方可進(jìn)行拱肋安裝。無須梁、拱之間的臨時(shí)支撐，頂推質(zhì)量小，對臨時(shí)墩的承載能力要求相對較低，臨時(shí)墩的投入相對較??；而拱肋安裝所需的投入不會有太大變化，只是拱肋安裝位置不同。

通過對臨時(shí)墩、臨時(shí)支撐的材料投入對比，先梁后拱施工方案比梁拱同步頂推施工方案的支架投入量可節(jié)省大約6 000t鋼材。

3)安全性 兩種方案的鋼箱梁頂推施工工藝和拱肋安裝工藝均一致，唯一不同之處為：梁拱同步頂推時(shí)，拱肋已安裝在鋼箱梁上方，頂推噸位大。以420m跨為例，梁拱同步頂推時(shí)，僅鋼箱梁和拱肋質(zhì)量即已達(dá)到20 984t，每延米的質(zhì)量達(dá)49.96t。先梁后拱施工時(shí)，僅鋼箱梁單獨(dú)進(jìn)行頂推，上方無其他附加荷載，頂推噸位相對較小，對頂推的控制相對較容易。以420m跨為例，每延米的頂推質(zhì)量為31.48t，與梁拱同步頂推相比，每延米質(zhì)量小18.48t。

對于梁拱同步頂推方案，在連續(xù)梁狀態(tài)下，單個(gè)斷面上臨時(shí)墩需承載36 000kN以上。本項(xiàng)目的鋼箱梁在成橋狀態(tài)下為受拉結(jié)構(gòu)，而在頂推過程中頂、底板局部需承受很大的壓力，特別是在臨時(shí)墩頂處鋼箱梁的局部壓力非常大，在頂推過程中鋼箱梁的受力非常敏感，對頂推設(shè)備要求高。梁拱同步頂推其結(jié)構(gòu)剛度變化大，頂推過程受力及變形復(fù)雜，對頂推施工及過程控制要求高。

因此，梁拱同步頂推施工方案比先梁后拱施工方案的施工安全風(fēng)險(xiǎn)更大。

2.3 拱肋施工方案比選

以中跨420m拱肋施工為例[4]，對比分析豎轉(zhuǎn)提升法[5-7]、滿堂支架法[8-9]和垂直提升法[10]。

2.3.1豎轉(zhuǎn)提升法

將主橋中跨420m鋼箱梁整跨頂推到位后，需在P20，P21號墩旁或鋼箱梁頂面安裝可供拱肋轉(zhuǎn)體施工的塔架，在梁上拼裝拱肋，拱肋拼裝完成后，在塔架與拱肋間安裝拱肋豎轉(zhuǎn)施工用的后背索、轉(zhuǎn)體拉索，并將拱肋豎轉(zhuǎn)到位。方案可行性分析如下。

1)受寬梁窄拱的影響，若要借助P19和P22號主墩設(shè)置背索錨固墩，后背索安裝需要斜向穿過次中跨的梁體，對鋼箱梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制不利。

2)若要避免箱梁斜向開洞，需要在紅線以外單獨(dú)設(shè)置臨時(shí)錨墩，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，臨時(shí)錨墩選址難以避開基本農(nóng)田區(qū)域，基本不具備可行性。

表1 中跨420m拱肋施工方案對比分析

2.3.2滿堂支架法

在鋼箱梁橋面完成滿堂支架的搭設(shè)后，將在后場加工成型的拱肋節(jié)段運(yùn)至現(xiàn)場，利用梁上的門式起重機(jī)進(jìn)行安裝，支架布置如圖3所示。

圖3 拱肋滿堂支架法拼裝示意

2.3.3垂直提升法

拱肋縱橋向分成3段進(jìn)行拼裝，中段拱肋采用低位拼裝、垂直提升法安裝，邊段拱肋采用梁上支架拼裝，待3段拱肋均拼裝完成后，分級張拉豎向拉索和水平拉索，通過調(diào)整水平拉索的有效拉力來控制中段拱肋拱腳處的變形。通過連續(xù)提升千斤頂整體豎向提升中段拱肋，中段拱肋提升到位后與邊段拱肋進(jìn)行焊接合龍，如圖4所示。

圖4 拱肋垂直提升示意(單位：m)

2.3.4方案比選

施工方案比選如表1所示，結(jié)論如下。

1)因橋梁紅線外為大量基本農(nóng)田和黃河水利委員會禁止施工區(qū)域，現(xiàn)場基本不具備臨時(shí)錨墩布置條件，所以不推薦采用豎轉(zhuǎn)提升方案。

2)在施工工期方面，各方案差別不大。

3)在施工技術(shù)難度方面，滿堂支架方案具備一定的優(yōu)勢。

4)在設(shè)備方面，滿堂支架法因所用門式起重機(jī)支腿高達(dá)80m，相對垂直提升方案門式起重機(jī)自身施工安全風(fēng)險(xiǎn)更高；且滿堂支架方案因門式起重機(jī)自重更大，梁上支架荷載更大，對鋼箱梁自身的應(yīng)力及變形影響更大。

5)如中跨420m拱肋施工使用垂直提升法，門式起重機(jī)支腿高約60m，可同時(shí)滿足次中跨280m拱肋采用滿堂支架法時(shí)的門式起重機(jī)高度要求。

3 結(jié)語

綜合考慮工期、施工難度、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面，濟(jì)南齊魯黃河大橋項(xiàng)目采用先梁后拱施工工藝，次中跨280m拱肋推薦采用滿堂支架法進(jìn)行施工，中跨420m拱肋推薦采用低位拼裝+垂直提升法進(jìn)行施工。