鋼筋砼拱橋鋼拱架現澆施工控制關鍵技術

劉雪鋒

（貴州省交通建設工程質量監督局，貴州貴陽 550023）

鋼筋砼拱橋鋼拱架現澆施工控制關鍵技術

劉雪鋒

（貴州省交通建設工程質量監督局，貴州貴陽 550023）

上承式鋼筋砼拱橋是山區應用較多的一種橋型，鋼拱架現澆施工是山區這類橋梁最常用的施工方法之一。文中以貴州省龍塘河大橋為工程背景，通過鋼拱架懸臂拼裝施工監控及加載現場試驗，分析鋼拱架懸臂拼裝過程中的應力、變形和穩定性，為施工安全和線形質量提供保障。

橋梁；鋼筋砼拱橋；鋼拱架；施工監控

在跨越高深峽谷橋梁之中，鋼筋砼拱橋是非常有競爭力的一種橋型，其不僅外形結構美觀，而且能充分發揮材料特性，耐久性能好，養護維護費用少。目前該類拱橋的施工方法主要有懸臂現澆、支架現澆、懸臂拼裝、轉體施工等。懸臂現澆施工法能突破山區峽谷的限制，可有效解決峽谷地區橋梁施工建設的難題。懸臂現澆施工最重要的工況是鋼拱架施工，鋼拱架懸臂拼裝是影響結構安全、保證主拱圈澆筑的重要工序，且處于高山峽谷之中的鋼拱架施工往往受到地形的限制，地錨、纜索吊、扣塔系統等也容易出現安全事故。因此，對鋼拱架施工過程的控制關系到施工質量和安全。

1 工程概況

龍塘河大橋位于貴州省務川縣，橋跨布置為1 ×16 m預應力砼空心板+125 m鋼筋砼箱形拱+1 ×16 m預應力砼空心板，全長170.6 m（見圖1）。橋梁平面位于直線上，橋面縱坡為雙向1.0%，橋面橫坡為雙向2%。主拱圈為單箱雙室截面，寬度為7 m，高度為2.2 m。

圖1　龍塘河大橋立面圖（單位：cm）

該橋采用“先懸拼拱架，后澆拱圈砼”的施工方法，鋼拱架采用懸臂拼裝施工（見圖2）。鋼拱架主要由拱腳節段、標準節段、連接構件和合龍段組成，橫向聯系用橫聯和平聯連接。在主拱圈下拼裝成圓弧形鋼拱架，沿弧向共用23大組、橫向每組5小組，共計115小組鋼拱架。節段之間上弦采用法蘭鋼板螺栓連接，下弦采用陰陽接頭鉸接。鋼拱架下弦采用銷接，上弦通過楔形連接結構調節栓接各節段鋼拱架，保證節段拼裝后按照箱拱圓弧方向變化，最終形成弧形拱架。鋼端桁架連接第一節段鋼拱架與拱腳，在拱腳節段設鉸，鋼拱架懸臂拼裝成設計線形后卸掉扣索，形成兩鉸拱，使在拼裝過程中產生的附加應力重新分布，有利于臨時拱圈的受力；在拆除臨時拱圈的扣索后再封閉拱腳的鉸，焊接連接型鋼，使之轉換為無鉸拱。臨時拱圈形成后，在鋼拱架上搭設鋼管架，安裝調節頂托，在頂托上鋪設分配梁、方木、模板，澆筑砼。

圖2　拱架懸臂拼裝施工示意圖（單位：cm）

2 鋼拱架懸臂拼裝過程施工控制

2.1節段拼裝施工過程

節段吊裝步驟：1）鋼拱架移到起吊位置進行拱架組拼。2）纜索吊起吊已拼裝好的節段，扣好扣索和纜風索，利用纜吊將節段調整就位。3）安裝拱架下弦鉸接頭銷軸、上弦法蘭鋼板螺絲，然后松開起吊點，將節段受力傳遞給扣索。4）安裝橫向纜風索，并利用它進行橫向偏位調節，增強鋼拱架吊裝過程中的橫向穩定性。纜風索在主拱圈澆筑完成后卸除。5）按計算扣索索力調整各扣索索力，使鋼拱架的空間位置盡量達到設計預抬位置。6）復測拱架位置，有偏差及時調整；復測上下游兩側的扣索索力，盡量保證扣索力相近；錨固好扣索后錨。

2.2鋼拱架拼裝過程施工過程模擬

采用斜拉扣掛施工鋼拱架，并對鋼拱架拼裝進行計算，其中扣索索力和每節段預抬量為計算核心。采用彈性連接-剛性支撐即斜拉扣索“一次張拉”的方法，通過計算確定初張索力和預抬量，避免索力和標高的反復調整，降低拱架懸拼施工風險。

利用有限元軟件MIDAS/Civil對鋼拱架斜拉扣掛施工進行模擬。鋼拱架弦桿、豎桿、斜桿均采用空間梁單元模擬，扣索采用桁架單元模擬，上弦法蘭鋼板連接采用同節點剛性連接模擬，下弦銷軸采用梁單元并釋放桿端彎矩模擬（見圖3）。

圖3　拱架懸臂拼裝計算分析模型

2.3鋼拱架拼裝過程施工過程監測

（1）應力監測。在鋼拱架吊裝、預壓、箱拱澆注施工過程中，為考察鋼拱架的受力情況，對拱架控制截面的應力進行監測。應力監控截面為拱腳、1/4拱拱頂、3/4拱等關鍵截面（見圖4）。

圖4　應力監測點布置示意圖

（2）變形監測。施工前，在鋼拱架前段焊接配套螺帽，每個節段端頭位置布設小棱鏡，使用全站儀對鋼拱架線形進行實時監測，并在拱架關鍵位置固定棱鏡，吊裝過程中不間斷地對拱圈固定位置進行豎向和橫向變形監測。遇到鋼拱架線形偏離理論線形時，通過調整扣索索力、張拉纜風索等手段，配合應力監測，調整鋼拱架線形，以達到理論線形。

（3）主塔偏位監測。該橋采用斜拉扣掛施工方法，扣塔和吊塔合于一塔，主塔的偏位監測非常重要，不僅關系到結構安全，也關系到鋼拱架拼裝線形。在主塔頂部設置4個棱鏡（見圖5），跟蹤施工過程中，特別是第6段節段后扣索錨固在主塔后的主塔偏位，檢測主塔縱橋向偏位和整體受扭狀態，并及時進行調整，保證主塔偏位在控制范圍內，同時保證鋼拱架線形質量和施工安全。

圖5　主塔偏位監測示意圖（單位：cm）

3 鋼拱架預壓過程施工控制

為確保后續主拱圈砼澆筑施工安全，在拱圈澆筑前對其進行預壓試驗（見圖6），檢驗鋼拱架的整體受力性能、承載能力和整體穩定性，掌握結構在設計荷載作用下的實際工作狀態，消除鋼拱架在拼裝過程中的非彈性變形。

圖6　鋼拱架水箱預壓試驗

主拱圈底板澆筑重量820 t，據此沿拱圈均勻布置63個水箱，并根據底板澆筑順序確定水箱加載順序，按照表1進行加載。

表1　鋼拱架水箱加載荷載

3.1預壓過程靜力計算

計算分析中采用彈性桿的方式進行模擬，釋放連接鉸接端的彎矩，鉸支座處均可發生轉角位移，3個方向的位移自由度均被約束。按照水箱搭設荷載情況模擬鋼拱架受力狀態。計算結果見圖7～8。

圖7　工況1下變形計算結果（單位：mm）

圖8　工況3下變形計算結果（單位：mm）

3.2預壓過程穩定性計算

根據鋼拱圈受載過程穩定性分析結果，預壓過程中穩定系數為11，穩定系數較高；一階為橫向失穩，失穩變形見圖9。穩定性計算中未考慮橫向纜風索的作用，每側3根橫向纜風索將極大地提高鋼拱架的橫向穩定性。鋼拱架的穩定性滿足要求。

圖9　穩定性計算結果（一階失穩）

3.3監控和理論計算結果對比（見表2和圖10）

從表2和圖10可看出：拱頂最大變形為53mm，小于理論計算值63mm，其他點的變形也都略小于理論值，說明鋼拱架剛度大于理論計算值，鋼拱架在彈性范圍內工作。非彈性變形最大為1 cm，比類似拱橋非彈性變形數值小，說明拱架的鋼結構安裝精度和質量較好，鋼拱架的承載能力滿足拱肋底板砼的澆筑要求。

表2　關鍵點的變形mm

圖10　工況3實測與理論變形對比

4 結語

該文利用彈性連接-剛性支撐方法對龍塘河大橋鋼拱架懸臂拼裝過程進行計算分析，結合現場施工監控進行實時控制，主拱圈得以順利合龍。鋼拱架預壓試驗是這類橋梁施工必不可少的工序，通過試驗可確定鋼拱架的承載能力、受力性能和整體穩定性，為后續施工消除非彈性變形、確定預拱度起到關鍵作用。

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