預(yù)制拼裝式拱橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)要點(diǎn)

胡松松 李盼到 許欣

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)快速施工橋梁的研究集中在預(yù)制構(gòu)件組裝和連接、橋梁上部結(jié)構(gòu)的型式和材料、下部結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究三個(gè)方面［1］。除小箱梁、T梁及鋼梁等常規(guī)預(yù)制橋梁外，大部分的橋梁快速施工樁基、承臺(tái)采用現(xiàn)澆施工；墩柱、蓋梁、主梁采用分段預(yù)制，采用體外預(yù)應(yīng)力、設(shè)置后澆帶、機(jī)械式鋼筋連接等方式實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件間的可靠連接［2］。近來(lái)加拿大和美國(guó)的相關(guān)學(xué)者在新型高性能材料預(yù)制構(gòu)件、構(gòu)件連接方面取得了新的進(jìn)展［3］。上述橋梁快速化施工多聚焦于常規(guī)的梁式結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土拱橋較少涉及。

本文以北京某兩座跨河橋改造為背景，新建橋梁均采用混凝土上承式肋板拱橋結(jié)構(gòu)形式。橋梁地處市中心的繁華地帶，工程場(chǎng)地地下管線及地上桿線錯(cuò)綜復(fù)雜，管線改移工作難度大且耗時(shí)，進(jìn)一步壓縮了主體結(jié)構(gòu)的施工周期；同時(shí)由于建成區(qū)場(chǎng)地條件限制，施工場(chǎng)地狹小，為了盡量降低施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，縮短施工工期成為了急需解決的問(wèn)題。

1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受理分析

1.1 設(shè)計(jì)

現(xiàn)況橋梁為一跨22m 簡(jiǎn)支T 梁，橋梁全寬18m，橋臺(tái)為樁接帽梁形式的輕型橋臺(tái)，現(xiàn)況橋梁橋下凈空不滿足通船需求，舊橋拆除后新建上承式拱橋一座，如圖1 所示。

圖1 橋梁整體運(yùn)行圖示Fig.1 Diagram of the overall operation of the bridge

河道規(guī)劃斷面為復(fù)式斷面，河道上口寬34m，河道下口寬20m，河道二層臺(tái)各寬7m。新建橋梁采用輕巧的上承式肋板拱橋結(jié)構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)36m，寬25m，橋梁東西兩幅各寬12.5m，每半幅設(shè)置3 片拱肋。拱肋計(jì)算跨徑25m，凈矢跨比1／5.8?？缰泄袄吆?.6m，拱腳位置拱肋厚0.7m，副孔主梁厚0.6m。邊支點(diǎn)處橋臺(tái)采用直立式擋墻；拱腳下方設(shè)2.2m 高，2.0m 寬的拱座；擋墻下方及拱座下方設(shè)條形承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為6.5m ×12.37m ×2.15m，承臺(tái)下接6 根直徑1.2m的樁基礎(chǔ)，樁基橫橋向間距3.85m，順橋向間距4m，如圖2 所示。

圖2 橋型布置（單位： cm）Fig.2 Bridge layout（unit：cm）

1.2 受力分析

1.分析模型

采用Midas Civil 2019 軟件建立全橋空間梁格模型。主梁、樁基、橋臺(tái)擋墻及橫向橋面板采用桿系單元模擬，承臺(tái)及拱座采用實(shí)體單元模擬。拱肋與承臺(tái)采用剛性連接，橋臺(tái)擋墻與承臺(tái)、樁基與承臺(tái)采用剛性連接，采用彈性連接并計(jì)入支座的三向剛度模擬邊跨板式橡膠支座，樁-土相互作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐約束，其順橋向、橫橋向及豎向約束剛度采用m法計(jì)算，其中地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)m0＝10000kN／m4，C0＝1.2 ×107kN／m2，計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 主梁分析模型Fig.3 Main beam analysis model

2.主梁受力分析

經(jīng)主梁整體受力分析可知：副孔主梁為彎拉構(gòu)件，拱肋為壓彎構(gòu)件；副孔主梁下緣受力最大位置為跨中下緣，上緣受力最大位置為副孔主梁與拱肋連接位置；拱肋下緣受力最大位置為副孔主梁與拱肋連接處對(duì)應(yīng)拱肋，拱肋上緣受力最大位置為拱肋與拱座連接位置。其彎矩計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 主梁彎矩（單位： kN·m）Fig.4 Bending moment diagram of t the main beam（unit：kN·m）

2 實(shí)施難點(diǎn)分析

拱橋如何劃分預(yù)制段是預(yù)制拼裝方案成敗的關(guān)鍵。主梁如何合理劃分預(yù)制段又面臨著運(yùn)輸、吊裝及運(yùn)輸?shù)跹b過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力安全等諸多困難。

2.1 運(yùn)輸

經(jīng)調(diào)查，可供選擇的運(yùn)輸車輛有重型半掛牽引車和重型炮車。

半掛牽引車由牽引車及掛車組成，其掛車部分表面平整，運(yùn)輸條件良好，但其車身長(zhǎng)度較短，限制了預(yù)制段的長(zhǎng)度；重型炮車由牽引車機(jī)組和炮車組成，該車組轉(zhuǎn)向靈活，承重性強(qiáng)，但運(yùn)輸過(guò)程中預(yù)制梁容易傾斜及移位，預(yù)制梁與炮車如何綁扎緊固是需要克服的困難。

2.2 吊裝

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件，現(xiàn)場(chǎng)吊車只能就位于橋臺(tái)背后，需要較大的吊裝半徑，給吊裝施工帶來(lái)困難，需采用大噸位起吊設(shè)備。主梁吊裝就位后需采取合理的穩(wěn)定措施防止主梁位移及落梁。

2.3 運(yùn)輸過(guò)程中主梁受力

運(yùn)輸過(guò)程中主梁以純彎受力為主，轉(zhuǎn)彎時(shí)彎扭疊加，相較于成橋狀態(tài)時(shí)主梁受力更為不利，預(yù)制段噸位較大時(shí)，結(jié)構(gòu)受力更為不利。

2.4 后澆段鋼筋連接

預(yù)制段吊裝就位完成之后，相鄰預(yù)制段外伸鋼筋筋致密，現(xiàn)場(chǎng)操作空間狹小，又由于梁廠加工精度的原因?qū)е赂黝A(yù)制段外伸鋼筋無(wú)法保證一一對(duì)應(yīng)，焊接連接及常規(guī)機(jī)械連接無(wú)法滿足需求，如何完成后澆段鋼筋連接是急需解決的問(wèn)題。

3 預(yù)制拼裝方案制定

3.1 預(yù)制段的劃分

綜合上述困難及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，主梁切分后澆段分別位于跨中橫梁外側(cè)及后澆段對(duì)應(yīng)的拱腳位置，如圖5 所示。

圖5 主梁節(jié)段劃分（單位： cm）Fig.5 Main beam segment division diagram（unit：cm）

由上述結(jié)構(gòu)受力分析可知，后澆段位于副孔主梁及主拱圈受力最為不利的位置，后澆段應(yīng)盡量遠(yuǎn)離跨中橫梁；由于拱圈線型特點(diǎn)，后澆段離跨間橫梁越遠(yuǎn)主梁高度越大，而運(yùn)輸過(guò)程中受橋下凈空的限制，主梁與炮車總高度不得大于4m。后澆段只能設(shè)立于主梁受力不利位置，從而對(duì)后澆段鋼筋連接及混凝土澆筑質(zhì)量提出了更高要求。

綜上，單根主梁縱向切分為三段，兩側(cè)副孔平直段長(zhǎng)8.2m，重27t；拱頂預(yù)制段長(zhǎng)16.9m，構(gòu)件最高處梁高2.3m，梁體自重112t，如圖6所示。

圖6 預(yù)制段立面圖（單位： cm）Fig.6 Elevation of precast section（unit：cm）

3.2 拱頂預(yù)制段受力分析

拱肋在成橋狀態(tài)下由于水平推力的作用，拱肋呈現(xiàn)偏心受壓的狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。拱頂預(yù)制段在吊裝運(yùn)輸過(guò)程中多處于純彎受力狀態(tài)，對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行受力分析十分必要，彎矩圖如圖7所示。

圖7 預(yù)制段自重作用下彎矩（單位： kN·m）Fig.7 Bending moment diagram under self-weight of precast section（unit：kN·m）

經(jīng)上述計(jì)算可知，該預(yù)制段在運(yùn)輸?shù)跹b狀態(tài)下彎矩值比成橋狀態(tài)下考慮活載作用時(shí)有所減小，但其為純彎構(gòu)件，經(jīng)核算，整體受力狀態(tài)是結(jié)構(gòu)配筋滿足運(yùn)輸?shù)跹b狀態(tài)受力需求。

3.3 運(yùn)輸方案

副孔主梁預(yù)制段梁長(zhǎng)短，噸位小，采用半掛牽引車運(yùn)輸。

由于拱頂預(yù)制段梁長(zhǎng)及噸位較大，由于拱肋線型原因造成預(yù)制段梁端梁高較高，梁端伸出鋼筋為斜向鋼筋，普通重型半掛牽引車無(wú)法滿足該預(yù)制段的運(yùn)輸需求。經(jīng)研究論證該預(yù)制段采用重型炮車，如圖8 所示。

圖8 炮車運(yùn)梁圖示Fig.8 Schematic diagram of beam transport vehicle

為防止運(yùn)輸過(guò)程中，因顛簸和傾斜造成拱肋移位，裝車后拱肋必須與炮車?yán)υo固。本方案在梁端底部設(shè)置鋼制工裝件，炮車托架頂部焊接四道工字鋼，梁底工裝件與工字鋼水平接觸并四周焊接。每車組選用直徑為22mm的鋼絲繩兩套，每車配備倒鏈8只、包角8只，用鋼絲繩打圍，包角墊在鋼絲繩與預(yù)制梁體的結(jié)合部位，保護(hù)梁體不受損傷。倒鏈緊固，將預(yù)制梁與前后車轉(zhuǎn)盤(pán)緊固為一體。并且在梁的底部設(shè)置預(yù)埋鐵，在運(yùn)輸設(shè)備上設(shè)置支撐架，把支撐架與預(yù)埋鐵焊接牢固。

3.4 吊裝方案

根據(jù)梁長(zhǎng)度、重量、具體地形位置和施工進(jìn)度因素，選擇兩臺(tái)400t汽車吊雙機(jī)臺(tái)吊吊裝；副孔主梁采用一臺(tái)400t獨(dú)立吊裝。

兩臺(tái)吊車分別就位于南北兩側(cè)橋臺(tái)臺(tái)背，運(yùn)梁車就位于現(xiàn)況橋梁中間位置，吊車緩慢起吊主梁就位于預(yù)先設(shè)置好的臨時(shí)支墩，臨時(shí)支墩與主梁間設(shè)臨時(shí)沙箱。

第一片梁吊裝完成后與現(xiàn)況橋梁進(jìn)行臨時(shí)固定連接，其余梁就位之后，梁間濕接縫進(jìn)行臨時(shí)加固處理，防止落梁。

3.5 鋼筋連接方案

在施工中，預(yù)制混凝土構(gòu)件的鋼筋連接對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響。本案例中后澆段均為受力最不利位置，且主受力鋼筋致密，由于牽引車駕駛艙與主梁托架距離限制，預(yù)制主梁外伸鋼筋較短，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作空間狹小，又由于梁廠加工精度的原因?qū)е赂黝A(yù)制段外伸鋼筋無(wú)法保證一一對(duì)應(yīng)，對(duì)鋼筋連接提出了更高的要求。

常用的鋼筋連接方式有綁扎、焊接及機(jī)械連接［4］；目前我國(guó)鋼筋連接主要有套筒冷擠壓、錐螺紋、直螺紋、灌漿套筒連接等。綁扎及焊接連接由于施工空間受限、施工質(zhì)量難以保證，無(wú)法滿足工程需求；常規(guī)的機(jī)械連接又存在其局限性，具體分析如表1 所示。

表1 不同鋼筋連接形式對(duì)比Tab.1 Comparison of different steel connection forms

由于常規(guī)機(jī)械連接無(wú)法克服上述困難，經(jīng)相關(guān)論證，本方案采用鋼筋機(jī)械連接新技術(shù)錐套鎖緊鋼筋接頭，連接鋼筋無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)，連接質(zhì)量可靠。

該錐套鎖緊鋼筋接頭由兩個(gè)錐套、一副鎖片、一個(gè)保持架組成，將待連接鋼筋插入鎖片兩端、對(duì)中頂緊保持架；將錐套套入鎖片的兩端，用專用工具將兩錐套沿其軸向（內(nèi)夾）壓緊靠攏，從而利用錐角作用將鎖片向內(nèi)緊緊夾住鋼筋，實(shí)現(xiàn)鋼筋連接。該連接鋼筋無(wú)需預(yù)制加工，對(duì)中性要求不高連接容差大，連接快捷，連接可靠。該鋼筋連接工藝無(wú)論連接質(zhì)量還是連接效率都得到了業(yè)主和施工方的認(rèn)可，該接頭如圖9 所示。

圖9 鋼筋連接前后實(shí)物Fig.9 Physical picture before and after steel connection

3.6 施工步序

考慮到若拱腳先期施工其外伸鋼筋可能會(huì)給跨中預(yù)制段落梁造成困擾，本次設(shè)計(jì)采取了更為穩(wěn)妥的方案，即跨中預(yù)制段落梁就位之后拱腳二次澆筑。具體施工步序如下：

施工步序一：拆除西側(cè)1／2 現(xiàn)況橋梁；東半幅橋交通導(dǎo)行；完成承臺(tái)、橋臺(tái)臺(tái)身及拱座的施工；

施工步序二：進(jìn)行主梁臨時(shí)支架施工。

施工步序三：吊裝跨中主梁預(yù)制段；對(duì)預(yù)制段進(jìn)行臨時(shí)橫向連接處理，確保預(yù)制段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

施工步序四：澆筑拱腳后澆段；施做河底擋墻及二層平臺(tái)；于二層臺(tái)處搭設(shè)臨時(shí)支架。

施工步序五：架設(shè)副孔主梁；副孔主梁與跨中主梁伸出鋼筋進(jìn)行連接；澆筑主梁后澆段。

施工步序六：拆除臨時(shí)支架；澆筑橋面及端、中橫梁后澆段；橋下河道擋墻及護(hù)砌與兩側(cè)河道斷面順接，橋下人行通道路面結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施施工，完成橋面鋪裝及其他附屬結(jié)構(gòu)，施工步序如圖10 所示。

圖10 施工步序Fig.10 Construction step diagram

工程實(shí)踐表明：由于支架現(xiàn)澆法安全控制難點(diǎn)多，一跨工期約100 天，存在安全隱患多［5］；本方案采用預(yù)制吊裝工法施工，一跨工期約30天，安全性好，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)上承式混凝土肋板拱橋進(jìn)行預(yù)制拼裝施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)分析及工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)月完成一座混凝土拱橋的施工進(jìn)度目標(biāo)，解決了大梁高、大噸位預(yù)制拱片運(yùn)輸及吊裝的難點(diǎn)，采用新工藝克服了預(yù)制構(gòu)件后澆段之間鋼筋連接的困難，很好的保證了連接部位及后澆段的施工質(zhì)量。實(shí)踐表明，預(yù)制拱橋施工可有效縮短施工工期、顯著降低對(duì)城市正常交通的影響、避免工人長(zhǎng)時(shí)間高空作業(yè)而降低施工風(fēng)險(xiǎn)，取得良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，是綠色建筑的發(fā)展方向。

后續(xù)預(yù)制吊裝工程可以不再局限于小箱梁、T梁、鋼梁等常規(guī)橋梁，現(xiàn)澆梁包括簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁可以適當(dāng)調(diào)整斷面形式，采用肋板梁式結(jié)構(gòu)，合理的劃分制作段，把傳統(tǒng)的現(xiàn)澆梁工廠化、預(yù)制化。