西江特大橋連續(xù)剛構(gòu)—柔性拱拱肋豎轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與施工

尹紫紅，董啟軍，盧演慧

(1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川峨眉山 614202;2.中鐵二十二局哈鐵建設(shè)集團(tuán)公司，黑龍江哈爾濱 150006)

1 連續(xù)剛構(gòu)—柔性拱組合橋鋼管拱簡(jiǎn)介

廣珠鐵路西江特大橋位于廣東省鶴山市古勞鎮(zhèn)與佛山市九江鎮(zhèn)交界處，是跨越西江的一座結(jié)構(gòu)新穎的橋梁工程，橋梁全長(zhǎng)為7 024 m。主橋采用110 m+230 m+230 m+110 m連續(xù)剛構(gòu)—柔性拱組合橋。鋼管拱計(jì)算跨度230 m，矢跨比1/5，矢高44.0 m，拱軸線立面投影為二次拋物線，主拱肋軸線方程為y=－x2/275+0.8x。

主拱拱肋為平行桁架式鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，每片拱肋由4-φ750 mm鋼管混凝土組成，由橫向平聯(lián)板、豎向腹桿連接成為鋼管混凝土桁架，拱肋鋼管采用Q345qD鋼材，［σw］=210 MPa，全橋鋼管拱拱肋總重32 000 kN。

2 鋼管拱豎轉(zhuǎn)總體施工設(shè)計(jì)思路

按照設(shè)計(jì)拱肋位置把單孔拱肋分為高位拱和低位拱，低位拱以鉸軸為中心向下旋轉(zhuǎn)21°到接近梁面位置，高位拱同樣以鉸軸為中心向下旋轉(zhuǎn)16.2°到接近低位拱頂位置，這樣拱肋高度由46.219 m降低到20.702 m。這時(shí)就可以采用支架法拼裝拱肋，把這個(gè)狀態(tài)確定為鋼管拱拱肋的初始狀態(tài)，然后建立豎轉(zhuǎn)體系。最后將鋼管拱豎向轉(zhuǎn)體到設(shè)計(jì)位置、安裝合龍段，完成整孔鋼管拱安裝施工。

豎轉(zhuǎn)時(shí)，每跨豎轉(zhuǎn)過(guò)程中后背索采用4束21×φ15.24鋼絞線和2束14×φ15.24鋼絞線，扣索1采用4束21×φ15.24鋼絞線，扣索2采用2束14×φ15.24鋼絞線，壓塔索采用2束9×φ15.24鋼絞線。拱肋豎轉(zhuǎn)立面如圖1所示。

豎轉(zhuǎn)時(shí)，先進(jìn)行141#—142#墩(左跨)兩個(gè)半拱的豎轉(zhuǎn)及合龍，如圖1(a)，圖1(b)所示;再進(jìn)行142#—143#墩之間(右跨)兩個(gè)半拱的豎轉(zhuǎn)及合龍，如圖1(c)，圖1(d)所示。

圖1 西江特大橋拱肋豎轉(zhuǎn)流程(單位:m)

3 建立鋼管拱豎轉(zhuǎn)體系

3.1 拱肋布置

拱肋按照初始狀態(tài)布置(具體參見(jiàn)圖2)。

圖2 拱肋初始狀態(tài)及索的編號(hào)(單位:m)

豎轉(zhuǎn)鉸軸是關(guān)鍵部位，要有足夠的強(qiáng)度，拱肋豎轉(zhuǎn)時(shí)才會(huì)有足夠的穩(wěn)定性。豎轉(zhuǎn)鉸軸為直徑1 000 mm、板厚36 mm、長(zhǎng)度2 450 mm的滾軸，豎轉(zhuǎn)前灌注混凝土。

3.2 索塔

索塔由預(yù)埋件、底節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、過(guò)渡節(jié)、聯(lián)系桁架、塔頂、提升大梁組成。塔架的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性必須保證，西江特大橋鋼管拱豎轉(zhuǎn)索塔采用2 000 t塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為桁架，其單節(jié)尺寸為4.2 m(縱橋向)×4.2 m(橫橋向)×6 m(高)，立柱采用400 mm×400 mm×16 mm的方鋼管。

索塔底節(jié)與剛構(gòu)梁拱腳固結(jié)，索塔塔頂設(shè)提升大梁，一側(cè)連接剛構(gòu)梁端的后錨點(diǎn)，另一側(cè)連接拱肋上的扣錨點(diǎn)，豎轉(zhuǎn)時(shí)形成鉸支撐和扣點(diǎn)索支撐曲線梁結(jié)構(gòu)。拱肋豎轉(zhuǎn)初始狀態(tài)后錨索與鋼構(gòu)梁面成30°夾角，高位拱后扣索水平夾角44.6°，前扣索水平夾角23.5°;低位拱后扣索水平夾角 45.8°，前扣索水平夾角26.8°，塔架高度 62 m。

3.3 拉索

拉索分為扣索與背索，拉索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線公稱直徑為15.24 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 N/mm，破斷拉力為260.7 kN，伸長(zhǎng)率在1%時(shí)的最小載荷為221.5 kN。

扣索分為前扣索1和后扣索2，本著受力合理并且保證足夠的強(qiáng)度，前扣索四束(上下游各兩束)設(shè)在接近半拱拱肋的前1/4處，后扣索兩束(上下游各一束)設(shè)在接近半拱拱肋后1/3處。扣索點(diǎn)均布置于拱肋直腹桿及斜腹桿與主弦管的共同節(jié)點(diǎn)處并且進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)?？鬯鼽c(diǎn)由反力梁、錨座和轉(zhuǎn)向架組成。

3.3.1 豎轉(zhuǎn)體系拉索力的確定

豎轉(zhuǎn)施工時(shí)拉索的索力在拱肋脫架時(shí)最大，此時(shí)拱肋要從多跨度連續(xù)曲線梁轉(zhuǎn)變?yōu)殂q支撐和扣點(diǎn)處索支撐的曲線梁。此過(guò)程中拱肋將完成自身的變形與受力的轉(zhuǎn)化。按照此狀態(tài)模擬建立模型計(jì)算各個(gè)拉索的索力。

計(jì)算程序?yàn)镾AP 2000(14.1)，支座條件為鉸接，按照豎轉(zhuǎn)體系初始狀態(tài)建模。

荷載:豎轉(zhuǎn)施工時(shí)，要求風(fēng)力不大于5級(jí)否則不豎轉(zhuǎn)，模擬計(jì)算荷載按照7級(jí)風(fēng)下一側(cè)拱肋轉(zhuǎn)體初始狀態(tài)考慮，扣索與后背索同時(shí)張拉，調(diào)節(jié)塔頂平衡。

索的編號(hào)見(jiàn)圖2，索力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 提升側(cè)索力統(tǒng)計(jì) kN

3.3.2 拉索鋼絞線配置

由表1，扣索1最大拉力1 907 kN，扣索2最大拉力1 124 kN，背索最大拉力2 027 kN。前扣索1設(shè)計(jì)21根鋼絞線，安全系數(shù)2.7;扣索2設(shè)計(jì)為14根鋼絞線，安全系數(shù)3.2;壓塔索設(shè)計(jì)為5根鋼絞線，安全系數(shù)7.8。

3.4 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)由油缸、液壓泵站和控制系統(tǒng)組成。

油缸布置。按表1，扣索1最大拉力1 907 kN，該處布置350 t油缸;扣索2最大拉力1 124 kN，布置200 t油缸;后背索1最大拉力2 027 kN，布置350 t油缸;后背索2最大拉力1 409 kN，布置200 t油缸;壓塔索拉力225 kN，布置100 t油缸。全橋總共布置24臺(tái)350 t油缸，12臺(tái)200 t油缸，8臺(tái)100 t油缸。

液壓泵站，每副索塔單邊布置1臺(tái)80 L/min流量的液壓泵站，全橋總共布置9臺(tái)液壓泵站(每個(gè)塔索上備用1臺(tái))。采用間歇式的作業(yè)方式，拱肋轉(zhuǎn)體速度可達(dá)5～6 m/h。

控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升技術(shù)，利用柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計(jì)算機(jī)控制、液壓同步提升原理。

3.5 后錨的設(shè)計(jì)

后錨結(jié)構(gòu)是豎轉(zhuǎn)體系中重要的一部分，后錨點(diǎn)必須牢固。后錨點(diǎn)設(shè)計(jì)位置選擇在邊跨梁面上，在剛構(gòu)梁澆筑混凝土?xí)r埋入預(yù)埋件，后錨與預(yù)埋件焊接，并且與預(yù)埋的4根精軋螺紋鋼張拉錨固牢靠。同時(shí)為了抵消剛構(gòu)梁受上拉力，在墩柱中預(yù)埋四束鋼絞線并在豎轉(zhuǎn)時(shí)臨時(shí)把邊梁與墩柱固結(jié)為一體。豎轉(zhuǎn)完成后，解除約束。

4 拱肋豎轉(zhuǎn)施工

4.1 西江特大橋鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工

豎轉(zhuǎn)體系建立完成，具備豎轉(zhuǎn)條件。先進(jìn)行142#—143#墩一孔兩個(gè)半拱豎轉(zhuǎn)并合龍，邊塔半跨提升設(shè)備布置于邊索塔塔頂上，背索錨固于144#墩頂;中塔半跨提升設(shè)備布置于中索塔塔頂，背索錨固于中索塔另一側(cè)半跨拱肋。142#—143#墩一孔兩半拱豎轉(zhuǎn)合龍后進(jìn)行141#—142#墩一孔兩個(gè)半拱豎轉(zhuǎn)，邊塔半跨提升設(shè)備布置于邊索塔塔上，背索錨固于140#墩頂;中塔半跨提升設(shè)備布置于中索塔塔頂，背索錨固于中塔另一側(cè)已合龍的半跨拱肋上(利用第一孔轉(zhuǎn)體的扣點(diǎn))。

4.2 豎轉(zhuǎn)過(guò)程中鋼管拱控制點(diǎn)(表2)

豎轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)半拱上布置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，上下游各3個(gè)，主要位置布置于拱肋前端及前、后扣索點(diǎn)位置的內(nèi)側(cè)主弦管軸線上。

4.3 西江特大橋豎轉(zhuǎn)合龍精度(見(jiàn)表3)

表2 低位鋼管拱控制點(diǎn)理論控制數(shù)據(jù)

表3 西江特大橋鋼管拱豎轉(zhuǎn)合龍精度 mm

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)鋼管混凝土拱橋最常見(jiàn)的架設(shè)方法是斜拉懸臂法。對(duì)于拱梁組合橋先梁后拱法施工來(lái)說(shuō)，一般采用支架法，但隨著跨度的增大矢高增高，受結(jié)構(gòu)自身限制而不能采用支架法，這時(shí)就可以嘗試采用轉(zhuǎn)體法中的上提式豎向轉(zhuǎn)體來(lái)完成。本文結(jié)合西江特大橋連續(xù)剛構(gòu)梁—柔性拱組合橋的施工，介紹鋼管拱豎轉(zhuǎn)采取柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計(jì)算機(jī)控制、液壓同步提升技術(shù)。西江特大橋鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工的成功，為大跨徑拱橋轉(zhuǎn)體施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

［1］邰扣霞，張佐安，丁大鈞．我國(guó)CFST拱橋建設(shè)［J］．橋梁建設(shè)，2007(4):65-69．

［2］武維宏，舒春生，王心順．剛架與拱組合體系桿拱橋的合理工序研究［J］．鐵道建筑，2008(11):10-11．

［3］姚昌榮．大跨度橋梁施工控制理論與實(shí)踐［D］．成都:西南交通大學(xué)，2004．

［4］上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司．西江特大橋拱肋整體豎轉(zhuǎn)力學(xué)分析報(bào)告［R］．上海:上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司，2011．

［5］孫聰，高日．特殊支撐體系的轉(zhuǎn)體橋施工牽引力計(jì)算方法分析［J］．鐵道建筑，2011(2):45-47．