大跨度連續剛構拱橋拱肋安裝方案研究

高庚元

（中國水利水電第八工程局有限公司 湖南省長沙市 410111）

1 項目概況

新建武漢至十堰鐵路為時速350km/h的高速鐵路，在湖北省安陸市跨越府河。為了滿足后期府河Ⅵ航道的通航規劃，設計采用大跨度橋梁跨越河道。跨越安陸府河主河道的主橋采用（90+200+90）m連續剛構拱橋，全長381.5m（含兩側梁端至邊支座中心線各0.75m）。主橋采用剛性梁，柔性拱結構。主梁為單箱雙室直腹板變高度截面。鋼管拱為平行拱雙管結構，拱肋為鋼管混凝土結構，采用等高度啞鈴形截面，截面高度3.3米，單肢拱肋管徑1.2m，兩榀拱肋之間中心距11.9m，拱肋跨度200m，矢高40m。兩榀拱肋之間共設11道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根直徑φ500×14mm的鋼管組成。鋼拱肋的重量約為770t。

2 拱肋施工方案比選

根據設計文件的要求，本橋施工采用先梁后拱的施工方案，即主梁懸臂施工工完成后再安裝拱肋結構，張拉吊桿。由于主梁懸臂澆筑為常規的施工方案，對其不做深入的研究，但是拱肋施工根據其結構形式及現場施工條件擬定了兩種施工方案。

2.1 拱肋豎轉方案

拱肋豎轉為比較成熟的施工方案，在宜萬鐵路宜昌長江大橋及廣珠鐵路西江特大橋均是采用主梁合龍后再梁上豎轉拱肋的施工方法。因此本橋首先考慮的施工方案為梁上豎轉方案，方案布置如圖1所示。在主梁施工完成后安裝拱肋臥拼支架，及豎轉塔架。施工時，先豎轉一側拱肋到位，再施工另一側，最后安裝合龍段完成拱肋的安裝。

圖1 拱肋豎轉支架施工布置

2.2 原位拼裝與大節段提升協作方案

拱肋劃分為三段進行施工，其跨度為45.66m+1.6m（合段）+107.08m+1.6m（合攏段）+45.66m，兩邊跨采取原位拼裝施工方法，中跨采取整節段提升吊裝施工方法。如圖2所示。主要施工步驟是：①完成拼裝支架施工，采用汽車吊分節段原位吊裝兩邊跨拱肋，如圖3所示。②采用汽車吊吊裝中跨拱肋，將中跨拱肋拼裝成整體；同時采用塔吊拼裝吊架，如圖4所示。③采用連續千斤頂整體提升中跨拱肋至設計位置，焊接合攏，拆除吊架及拱肋支架，如圖5所示。

2.3 方案比較

針對與豎轉施工與原位拼裝與大節段提升協作方案從大臨結構設施工程量、施工周期對比、施工條件等三個方面進行對比。

2.3.1 大臨結構設施工程量

圖2 拱肋提升支架施工布置

圖3 拱肋提升支架施工步驟一布置

圖4 拱肋提升支架施工步驟二布置

圖5 拱肋提升支架施工步驟三布置

表1

從表1中得提升支架法施工大臨結構工程量較省。

2.3.2 施工周期對比

從表2～3中得提升支架法施工周期時間較短。

2.3.3 施工條件對比

由于條件限制豎轉塔架錨固在地面上，但一側錨固位置地下沙土層較厚，需要大面積開挖后才能施工拉索的錨固結構，這樣既破壞了耕種土體也要在后期耗費財力物力去移除錨體；另一側處于府河河道內，錨固結構施工是在河道內開挖。根據工期計劃拱肋安裝在府河的汛期，根據相關部門規定汛期內不得占用河道施工，同時也給豎轉作業造成很大風險。另外，若將豎轉拉索錨固在主橋邊墩主梁隔墻位置，在豎轉施工過程中，拉索在邊跨隔墻位置要產生3500kN的拉力，其中豎向拉力為2200kN。主梁邊跨在全橋合龍后，拱肋豎轉時僅有2440kN的豎向壓力，因此在施工過程中可能會使得邊墩支座出現拉力。這樣就需要在邊墩與主梁邊隔墻中埋置豎向精軋螺紋鋼筋以克服拱肋豎轉過程中產生的豎向拉力。這些精軋螺紋鋼筋需要預先錨固在邊墩內，并要露出墩頂一定長度，保證在主梁施工時有接長的空間。且不說給主梁邊跨直線段施工以及后其拆除帶來的麻煩，主要的問題在于，露出的鋼筋頭占用了架橋機架設簡支梁時支腿的位置，這樣給箱梁架設造成阻礙。而且拱肋豎轉施工難度較大，控制精度要求高，需找專業施工作業隊伍進行施工；而拱肋提升支架法施工提升高度低，所有支架及錨固在主跨內部不占用其他位置，其控制難度較小。

表2 豎轉施工方案施工周期表

表3 原位拼裝與大節段提升協作方案施工周期表

在對材料投、施工周期以及施工條件進行對比分析后確定采用采用原位拼裝與大節段提升協作方案。

3 拱肋提升方案的相關計算

根據拱肋的施工方式，需要根據施工荷載對主梁結構進行結構受力計算，以保證主梁在拱肋施工過程中的安全性。

3.1 拱肋支架反力

拱肋施工均在梁面進行施工作業，故需對主梁進行結構受力檢算，其荷載為拼裝支架及吊架的反力。

工況一：拱肋整節段拼裝完畢且張拉后施工工況。

圖6 拱肋吊裝荷載圖示

工況二：拱肋整節段提升施工工況。

圖7 拱肋提升荷載圖示

3.2 主體結構計算

在主梁合龍后要進行拱肋的安裝施工，拱肋安裝及提升兩個工況的荷載如圖6～7所示。拱肋安裝施工所用汽車吊根據吊裝的需要選用80t及，汽車吊總重為50t，跨中吊裝約為15t，考慮配重后，總重量按70t計。吊車作業是在順橋向支腿的間距為6.2m，支腿上作用的荷載分別是35t和35t。主體結構的計算模型如圖8所示。

按照容許應力法對全橋的施工過程和運營狀態進行檢算，計算采用以下假定：

（1）計算采用平面桿系單元進行，縱向計算主梁按全截面受力考慮，不計剪力滯效應的影響；

（2）預應力構件不考慮普通鋼筋參與抗彎受力；

（3）鋼管混凝土單元具體劃分為鋼管單元和管內混凝土單元，二者變形協調；

（4）雙吊桿簡化為單根吊桿單元；

（5）在結構各構件相交而形心不在同一點，均設置剛臂；

（6）不考慮橋面附屬結構參與主體結構受力；

（7）拱肋安裝完成后吊桿索力張拉及運營階段的活載及其他荷載均按設計文件采用。

結構計算模型如下：

圖8 主橋結構計算模型

如圖9～10，在施工階段主梁上緣最大壓應力為16.3MPa，位置在0#節段靠近邊跨位置。下緣最大壓應力為15.42MPa，位置在邊跨3/4跨位置。下緣最大拉應力為0.90MPa，位置在中跨跨中。根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》第6.4.4條規定，主梁的壓應力小于0.75fc=0.75×40=28MPa，主梁拉應力小于 0.7fct=0.7×3.5=2.45MPa。因此，結構在施工階段應力滿足要求。

圖9 主梁施工階段上緣應力包絡圖（MPa）

圖10 主梁施工階段下緣應力包絡圖（MPa）

如圖11～12，在運營階段主梁上緣最大壓應力為18.68MPa，位置在主跨跨中附近。下緣最大壓應力為14.2MPa，位置在邊跨3/4跨位置。無拉應力。根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》第6.3.10條規定，主梁的壓應力小于0.55fc=0.55×40=22MPa。因此，結構在運營階段應力滿足要求。

圖11 主梁施工階段上緣應力包絡圖（MPa）

圖12 主梁施工階段下緣應力包絡圖（MPa）

4 結束語

采用原位拼裝與大節段提升協作方案，主梁在施工過程中和運營階段主梁縱向應力均滿足規范要求。在橫向上通過設置預埋支點拱肋安裝臨時鋼管通過分配梁，傳遞到主梁兩側腹板上，保證了箱梁頂板在集中荷載作用下結構的安全性。因此，在保證主體結構安裝全性的前提下，在考慮經濟、合理及施工條件的的因素項目部采用拱肋提升支架施工方案，保證優質、安全、高效的完成主拱的施工任務。本橋的施工方案研究可為后期類似橋梁的施工提供有益的參考。