大跨度鋼筋混凝土拱橋長節(jié)段陡斜坡掛籃設(shè)計探討

以格魯吉亞南北走廊公路項目B3拱橋為背景，受當(dāng)?shù)貧夂蛱卣饔绊懀緯r間長，每年有效工期僅6～7個月，拱圈節(jié)段共61個，勢必會造成拱圈懸臂狀態(tài)穿越冬季暴風(fēng)雪，安全風(fēng)險極高。在一年的有效工期內(nèi)完成拱圈施工是避免該安全風(fēng)險的關(guān)鍵方法也是難以攻克的問題。但是，將拱圈原設(shè)計的二個節(jié)段合二為一，節(jié)段長度增長一倍，使節(jié)段數(shù)減少一半，施工工序減少一半，施工時間也將減少一半。掛籃強度、剛度、自重輕、行走便利并適應(yīng)陡斜坡，是掛籃研究的關(guān)鍵。

雙肋混凝土拱橋; 長節(jié)段掛籃; 臨時拉索

U445.463A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-06-07

［作者簡介］閆攀飛（1989—），男，本科，工程師，主要從事公路工程項目管理工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

格魯吉亞南北走廊公路Kvesheti-Kobi段2標(biāo)項目B3拱橋為上承式鋼筋混凝土箱型肋拱橋，全長432 m，主跨285 m。橋位處于峽谷地形，地勢險要，兩岸邊坡近乎直立，橋面至谷底高差164 m，西岸橋臺處的基巖主要為火山巖，東岸橋臺處的基巖為白堊系碳酸鹽巖。項目區(qū)域氣候條件惡劣，冬季時間長達(dá)5個月，最低溫度-26.3 ℃，每年最大降雪量360 cm，最小降雪量112 cm；夏季短，最高溫度27.2 ℃，晝夜溫差大，紫外線強。一年中適宜施工工期最長7個月。橋梁所在地區(qū)位于高加索山脈腹地，震烈度高，地表峰值加速度達(dá)0.26g［1-3］。

B3拱橋計算跨徑L=278.75 m，矢高f=49.18 m，矢跨比1/5.668（圖1）。拱圈采用雙肋薄壁鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，單側(cè)拱箱30個節(jié)段，最長拱圈節(jié)段5.94 m。兩條拱肋間距9 m，寬跨比1/31，單肋寬3 m；拱箱高3.50 m，高跨比1/79.4。拱箱壁厚從拱腳的40 cm，漸變減薄至拱頂?shù)?5 cm。兩岸橋臺設(shè)置巖錨，4×7組19束1860鋼絞線對橋臺主梁進行錨固，錨索長度38～56 m不等，巖錨孔徑350 mm，最大鉆孔深度39 m。施工過程中使橋道鋼梁與拱圈、臨時扣鎖、墩柱形成桁架結(jié)構(gòu)。拱箱采用自密實高強高性能混凝土C80～C95。

2" 設(shè)計思路

橋位處每年僅有7個月的有效工作時間（4—11月），為了充分降低 B3 拱橋的施工安全風(fēng)險，結(jié)合現(xiàn)場條件，經(jīng)多次研討，最終確定 B3 拱橋的施工順序采用“先拱后梁”的方式，7個月有效施工期內(nèi)要完成拱圈施工仍是非常艱難的，因為每一側(cè)拱圈有 30 個懸臂澆筑節(jié)段，還包括1個拱頂合龍段。

由此提出采用2節(jié)段合成1節(jié)段一起澆筑的方式，合并后最長節(jié)段11.38 m。這種方式的懸臂澆筑節(jié)段數(shù)可減少一半，理論上7個月內(nèi)完成拱圈施工是可能實現(xiàn)的，而這種二合一方式所需解決的最關(guān)鍵難題是掛籃的構(gòu)造，通過在國內(nèi)外廣泛調(diào)研、全面比較、深化研究，在無直接可借鑒的情況下，創(chuàng)新性地設(shè)計了“長節(jié)段陡斜坡爬坡式輕型預(yù)應(yīng)力掛籃”

3" 掛籃設(shè)計

根據(jù)圖設(shè)計要求，掛籃的承載力必須大于 290 t，空載掛籃控制重量45 t，模板施工荷載控制在35 t以內(nèi)，根據(jù)以上基本數(shù)據(jù)設(shè)計本掛籃。

荷載系數(shù)取值［4-5］：

（1）考慮箱梁混凝土澆注時脹模等因素的超載系數(shù)取 1.05。

（2）澆注混凝土?xí)r的沖擊系數(shù)取1.2。

（3）掛籃空載行走時沖擊系數(shù)取1.3。

（4）澆筑混凝土和掛籃行走系數(shù)時抗剪系數(shù)取2。

（5）施工時、行走時的抗傾覆安全系數(shù)取2。

3.1" 掛籃形狀的確定

結(jié)構(gòu)受力和邊界條件，采用拓?fù)涿芏冗M行了分析（圖2）。

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)論：掛籃采用長節(jié)段懸臂結(jié)構(gòu)后端進行邊界約束條件下，前后倒角的桁架是最優(yōu)形狀。

解析優(yōu)化：按照掛籃前端豎向位移20 mm控制，掛籃根部截面的慣性矩應(yīng)大于0.198 m4，桁架高度應(yīng)大于7.3 m，兼顧拱箱自身結(jié)構(gòu)，為了加強掛籃強度，采用了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)?？紤]預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)應(yīng)力為2×1200 kN，在此預(yù)應(yīng)力作用下掛籃的彈性穩(wěn)定模態(tài)為15.4。

3.2" 掛籃主要構(gòu)造

掛籃由桁架承重系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、支反力系統(tǒng)、止推系統(tǒng)、體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、工作平臺防護系統(tǒng)及輔助吊裝系統(tǒng)8部分構(gòu)成［6］（圖3）。

1.桁架承重系統(tǒng)；2.行走系統(tǒng)；3.體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)；4.止推系統(tǒng)；5.支反力系統(tǒng)；6.模板系統(tǒng)；7.工作平臺防護系統(tǒng)；8.輔助吊裝系統(tǒng)

承重系統(tǒng)由懸挑牛腿、主桁架、掛鉤和體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)構(gòu)成；行走系統(tǒng)主要由自鎖爬坡器、行走軌道、主掛鉤、輔助掛鉤、反力輪及導(dǎo)向輪等構(gòu)成；支反力系統(tǒng)主要由掛鉤球座及后橫梁上的楔形反力鋼板支座等構(gòu)成；止推系統(tǒng)主要有抗剪臂等構(gòu)成［7］。

掛籃為適應(yīng)拱箱長節(jié)段澆筑的需要，采用TW15-15體外預(yù)應(yīng)力索，體外預(yù)應(yīng)力的考慮2 mm的錨具回縮預(yù)應(yīng)力損失后，需要施加 2×1200 kN。

模板系統(tǒng)由外模、內(nèi)模構(gòu)成，為適應(yīng)當(dāng)?shù)厥┕び行诙毯腿斯べM高的問題，內(nèi)外模板均采用液壓系統(tǒng)進行驅(qū)動，以適應(yīng)快速安裝的需要。

工作平臺防護系統(tǒng)采用2 mm防滑鋼板和鋼絲網(wǎng)圍欄組成。

輔助吊裝系統(tǒng)采用成品回轉(zhuǎn)式懸臂吊機，置于掛籃頂部承載桿件上用于小型吊裝作業(yè)。

掛籃受力主體結(jié)構(gòu)采用2片6.3 m高的預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)，桁架水平桿以及豎桿采用HW255×250×14/14 熱軋 H 型鋼，桁架斜桿采用 HW250×250×9×14 熱軋 H 型鋼， 主桁外伸牛腿采用HW255×250×14/14 熱軋 H 型鋼，其余桿件采用 2［20。

鐵路與公路閆攀飛： 大跨度鋼筋混凝土拱橋長節(jié)段陡斜坡掛籃設(shè)計探討

掛籃設(shè)計狀態(tài)分為承載狀態(tài)和行走狀態(tài)。經(jīng)過反復(fù)試算和國內(nèi)外懸澆拱掛籃的結(jié)構(gòu)比選，最終確定承載狀態(tài)，掛籃的約束條件是將主掛鉤放置于弧形座上作為雙向鉸約束，已澆混凝土節(jié)段的四根錨桿和反力楔塊作為豎向約束，抗剪塊作為水平約束；行走態(tài)時，采用主掛鉤和輔助掛鉤交替完成支撐實現(xiàn)跨越臨時扣索的功能。

3.3" 掛籃穩(wěn)定性計算

掛籃空載受荷情況為800 kN自重、2 400 kN預(yù)應(yīng)力荷載。分析穩(wěn)定性時將自重和預(yù)應(yīng)力荷載都視為可變荷載，得出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，分析時考慮掛籃行走至起步節(jié)段3#節(jié)段、拱肋 1/4 處 8#節(jié)段以及拱肋1/2處14#節(jié)段的模態(tài)狀況。分析情況如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，掛籃走行穩(wěn)定系數(shù)隨著澆筑節(jié)段的增加而有所提高，最低穩(wěn)定系數(shù)為 5.82，最高穩(wěn)定系數(shù)為 17.3，掛籃采用輔助掛鉤走行在拱肋各節(jié)段安全性均可得到保證。

后期設(shè)計中按照掛籃實際承載狀態(tài)和行走狀態(tài)，分別分析了掛籃在澆筑第 2～14 節(jié)段時的受力狀況，計算結(jié)果包括了掛鉤支反力、錨固處拉桿反力、抗剪裝置反力、掛鉤處彎矩、與掛鉤連接豎桿的軸力、主桁軸力、主桁桿件應(yīng)力以及位移。結(jié)果表明該新型長節(jié)段陡斜坡自行式爬坡掛籃可滿足施工要求。

4" 結(jié)束語

國內(nèi)外已建成的懸臂澆筑施工拱橋中，掛籃一般為液壓門式框架、三角形桁架、側(cè)桁式三角形、倒三角形桁架等形式［2］。一般節(jié)段長度澆筑在5 m左右，最長可達(dá)7.3 m。但總體來說，節(jié)段長度較短，導(dǎo)致大跨拱橋的懸臂澆筑節(jié)段多，懸臂施工時間長。在B3拱橋的項目背景下，一種新型長節(jié)段陡斜坡爬坡式輕型掛籃應(yīng)運而生，將兩個拱圈節(jié)段合二為一，使拱圈施工工期縮短一半。極大的節(jié)約了時間成本，降低了拱圈長時間處于懸臂狀態(tài)的安全風(fēng)險。在大跨度鋼筋混凝土懸澆拱橋中開創(chuàng)了先河，為后續(xù)同類型拱橋施工提供了新的思路和應(yīng)用價值［8］。

參考文獻

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［2］" 閆攀飛， 田寶華， 袁毅，等. 一種掛籃結(jié)構(gòu)： CN114164773A［P］. 2022.

［3］" 王釗. 近海山區(qū)高速公路創(chuàng)新集成研究與示范［J］. 中國公路， 2020， 567（11）：76-79.

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［5］" 盛斌. 新豐江大橋連續(xù)剛構(gòu)掛籃懸澆無托架施工技術(shù)［J］. 公路與汽運， 2006（3）：4.

［6］" 曹瑞， 裴賓嘉， 聶東，等. 懸臂澆筑拱橋新工藝的研究［C］// 第十八屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議.

［7］" 裴賓嘉， 曹瑞， 彭勁根，等. 拱橋懸臂澆注掛籃的設(shè)計和創(chuàng)新［J］. 公路， 2008（1）：7.

［8］" 萬嬌. 鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑與勁性骨架組合施工技術(shù)研究［D］. 重慶：重慶交通大學(xué)， 2013.

［9］" 裴賓嘉， 曹瑞， 聶東，等. 大跨徑鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑掛籃的設(shè)計和創(chuàng)新［C］// 中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會全國橋梁學(xué)術(shù)會議. 中國公路學(xué)會;廣東省公路學(xué)會， 2007.