下承式連續(xù)梁-拱組合橋施工方案比選研究

李杰，胡欽俠，朱金柱

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

伴隨著我國橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展進步，出現(xiàn)越來越多設(shè)計新穎且造型美觀的橋型，其中，下承式梁拱組合橋因適用范圍廣、結(jié)構(gòu)剛度大、造型簡單、景觀效果良好而被廣泛應用。在下承式連續(xù)梁-拱組合橋的建造過程中，采用不同的施工方案，其技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、安全可控性等會有較大差異[1-4]，本文以下承式連續(xù)梁-拱組合橋——余信貴大道月湖特大橋主橋為例，研究其最優(yōu)的拱橋施工方案，研究方法以及研究結(jié)論可為類似橋梁施工借鑒和參考[5]。

1 工程概述

余信貴大道月湖特大橋主橋為（30+185+30）m中央索面下承式梁拱組合結(jié)構(gòu)，拱軸線為二次拋物線，理論跨徑185 m，矢高46.25 m，矢跨比為1 ∶4。主梁采用鋼混疊合梁，全長244.72 m，全寬47.0 m，橋梁設(shè)計標高處梁高4.0 m。頂板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為28 cm。拱肋采用單室箱型截面，截面尺寸由拱頂4.5 m×4.5 m 線性漸變至拱底6.0 m×6.0 m。拱肋共劃分11 個節(jié)段繪制，其中GJa、GJb 與主梁固結(jié)，拱肋鋼結(jié)構(gòu)除GJa、GJb 采用Q420qD，其余均采用Q345qD，吊桿在梁上縱向間距8.5 m，全橋共19 對。在拱腳處，設(shè)固定球型鋼支座、橫向活動球型鋼支座，活動墩頂面設(shè)縱向活動球型鋼支座、雙向活動球型鋼支座。該橋設(shè)置雙向6 條設(shè)計速度60～80 km/h 的機動車道，荷載等級為城一A 級[6]。

2 施工方案

目前我國下承式連續(xù)梁-拱組合橋的施工方法常用的有少支架施工法、懸臂架設(shè)法、纜索吊施工法和頂推法。以月湖特大橋為工程背景，通過對該流域的水文、氣候、通航情況等進行調(diào)查，結(jié)合橋址實際情況，參考同類橋梁施工經(jīng)驗[4,7-10]可知，月湖特大橋是單拱連續(xù)梁拱組合橋，單拱肋穩(wěn)定性較差，采用少支架施工時，不利于支架安拆，且會影響后續(xù)梁段的安裝。對于懸臂架設(shè)法，工程背景通航要求最少預留61 m 距離，搭設(shè)臨時支墩或者臨時支架難以滿足要求且風險較大，不適宜采用。由此本文將針對纜索吊施工和頂推施工2 種施工方案進行比較，圍繞技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、安全可控性3 方面展開對比分析，力求選擇安全、工期快、費用節(jié)省的最優(yōu)實施方案[11-12]。2 種方案具體實施步驟如表1 所示。

表1 2 種施工方案步驟Table 1 Two kinds of construction scheme steps

纜索吊施工和頂推施工總體布置圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 纜索吊施工總體布置圖（mm）Fig.1 General layout of cable hoisting installation(mm)

圖2 頂推施工布置圖（mm）Fig.2 Layout of jacking installation(mm)

根據(jù)上述2 種施工方案，采用有限元軟件Midas civil 建立相對應的有限元模型。模型中導梁、主梁、拱肋、索塔、拱肋支架和拱座采用梁單元模擬，扣索、背索、吊桿采用桁架單元模擬，拱腳等約束按照實際圖紙進行設(shè)置，支承單元采用只受壓單元，模擬可能出現(xiàn)的脫空現(xiàn)象。該橋設(shè)計為雙向6 車道，按照JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，恒載考慮自重和二期恒載，活載考慮人行道荷載。

3 施工方案比選

3.1 技術(shù)可行性比選研究

3.1.1 纜索吊方案技術(shù)可行性研究

對于纜索吊施工方案而言，它的技術(shù)可行性主要控制指標一般為：1）索塔豎向、縱向位移；2）拱肋位移、應力；3）拱腳水平推力、臨時吊桿；4）扣索及背索力[13]。本節(jié)將通過以上4 個參數(shù)驗算纜索吊方案技術(shù)可行性。

1）索塔位移和應力

索塔最大位移和最大應力圖見圖3。

圖3 索塔最大位移和最大應力圖Fig.3 Maximum displacement and maximum stress of cable tower

由圖3 分析結(jié)果可知：采用纜索吊施工工藝時，施工過程中索塔最大豎向位移為32 mm，最大縱向位移為17 mm，索塔豎向位移可通過對索塔預抬高處理，另根據(jù)分析結(jié)果，隨著拱肋吊裝的進行，索塔水平位移逐漸減少至5 mm；施工過程中索塔最大應力為143 MPa（受壓），因此索塔應力和位移均在規(guī)范要求范圍以內(nèi)。

2）拱腳水平力和臨時系桿力

纜索吊施工扣索和背索序號由上向下依此增大，背索編號為SR，扣索編號為SF，因此，背索和扣索自上而下分別為SR1—SR6 和SF1—SF6。

施工階段各種構(gòu)件受力圖見圖4。

圖4 施工階段部分構(gòu)件受力圖Fig.4 Diagram of force on some components in installation process

由圖4 分析結(jié)果可知：采用纜索吊施工工藝時，施工過程中拱腳處產(chǎn)生的最大水平推力達到10 835.9 kN，該水平推力較大，因此對拱腳處支座要求較高；拱腳處共設(shè)置4 根臨時系桿，單根臨時系桿力最大為7 000 kN，對施工過程中臨時系桿張拉設(shè)備和張拉空間有一定要求，另扣索和背索最大受力分別為1 000 kN 和1 100 kN，均小于規(guī)范允許值。

3.1.2 頂推方案技術(shù)可行性研究

對于頂推施工方案而言，通過在已頂推完成的主梁上搭設(shè)支架，然后進行拱肋的拼裝，因此與纜索吊施工不同的是，頂推施工過程中技術(shù)可行性主要控制指標重點是：1）導梁、主梁應力；2）導梁、主梁位移；3）臨時墩最大支反力。由于頂推施工工藝的頂推過程結(jié)構(gòu)受力情況更為復雜，選取的工況均是施工過程中的最不利階段，分別包括導梁前端或主梁尾部懸臂較大工況，見表2，這些關(guān)鍵工況下導梁前端或主梁尾部的位移較大[14]，本節(jié)將通過這些工況結(jié)構(gòu)受力情況驗算頂推方案技術(shù)可行性。

表2 頂推過程詳細工況Table 2 Detailed working conditions of jacking process

1）導梁、主梁應力

主梁、導梁應力和位移圖如圖5 所示。

圖5 主梁、導梁應力和位移圖Fig.5 Stress and displacement diagram of main beam and guide beam

由圖5 可知，采用頂推施工工藝時，施工過程中主梁最大應力為66.7 MPa，導梁最大應力為-114.4 MPa，頂推完成時應力均降至50 MPa 以內(nèi)；主梁最大位移為-62 mm，導梁最大位移為-253 mm，隨著頂推的進行，導梁和主梁位移相對初始值大幅降低，頂推完成時位移均在10 mm 以內(nèi)。由此可見，頂推過程中強度、剛度滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

2）臨時墩支反力

頂推施工過程中臨時墩編號由左至右分別為臨時墩1—臨時墩5，整理各臨時墩支反力計算結(jié)果，各墩支反力在頂推過程中的變化趨勢見圖6。

從圖6 可知，采用頂推施工工藝時，頂推過程中臨時墩最大支反力為15 888.9 kN，出現(xiàn)在第一階段即導梁大懸臂階段（跨度61 m）的臨時墩2 處，頂推結(jié)束，拱肋安裝完成時臨時墩3 出現(xiàn)最大支反力15 954.1 kN，由此可知頂推施工方案中臨時墩支反力均在規(guī)范和設(shè)計允許范圍內(nèi)。

圖6 臨時墩最大支反力Fig.6 Maximum support reaction force of temporary pier

3.2 經(jīng)濟可行性比選研究

通過對纜索吊方案和頂推方案的主要施工成本、預算造價以及預算利潤進行詳細計算，得出結(jié)論如下：

纜索吊施工方案技術(shù)相對更加復雜，所需人工費和材料費將遠大于頂推方案，而頂推方案設(shè)備費更昂貴，綜合來看纜索吊方案施工成本相對頂推方案來說更高，而預算造價方面，頂推方案的預算更加充裕，綜合來看，頂推方案預計利潤率相比纜索吊方案更高，從經(jīng)濟可行性方面來說，頂推方案遠勝纜索吊方案[4，15]。

3.3 安全可控性比選研究

根據(jù)以往施工經(jīng)驗以及實際項目情況，對纜索吊方案和頂推方案進行詳細分析，從技術(shù)復雜程度、起重設(shè)備要求、安全風險以及進度優(yōu)勢等多個方面綜合考慮，將2 種施工方案的優(yōu)勢劣勢列出，如表3 所示。

通過表3 對比分析結(jié)果可知：

表3 不同施工方案安全可控性比選Table 3 Comparison and selection of safety controllability of different installation schemes

1）從技術(shù)復雜程度方面考慮，采用纜索吊施工工藝時，拱腳臨時錨固水平力最大將近1 100 t，因此該方案對拱腳處縱向約束支座要求很高，另臨時系桿單根張拉力達到700 t。方案中共包含4 根臨時系桿，該方案對現(xiàn)場張拉設(shè)備預留空間有較高要求。

2）纜索吊施工需進行高空作業(yè)，相比頂推施工風險性更大，結(jié)合該項目施工現(xiàn)場情況，纜索吊施工還會影響東西岸引橋施工，主引橋無法同步施工，工期稍長，頂推施工則不存在該問題。

4 結(jié)語

本文通過建立2 種不同施工方案的有限元模型，重點進行了橋梁在各施工過程中多方面可行性研究分析，得出如下結(jié)論：

1）纜索吊和頂推施工方案在技術(shù)可行性上均可實現(xiàn)，但采用纜索吊方案時拱腳臨時錨固水平力在施工過程中最大值達到將近1 100 t，因此對拱腳處縱向約束支座要求很高，另臨時系桿單根張拉力達到700 t，對現(xiàn)場張拉設(shè)備及預留空間有較高要求。

2）從經(jīng)濟可行性方面來說，頂推方案相比纜索吊方案利潤更可觀，因此頂推方案相比纜索吊方案經(jīng)濟性更優(yōu)。

3）纜索吊施工需要進行高空作業(yè)，相比頂推施工風險性更大，另結(jié)合該項目實際施工現(xiàn)場情況，纜索吊施工會影響東西岸引橋施工，相對頂推施工工期更長。

通過對纜索吊和頂推方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、安全可控性3 方面的綜合比選，推薦在頂推施工的基礎(chǔ)上進行施工方案深化及優(yōu)化設(shè)計。