南葉公路橋主橋施工過程中兩個關鍵技術問題的探討

董宇路

（上海城投航道建設有限公司，上海市 200092）

1 工程概況與問題的提出

南葉公路橋是上海市大蘆線航道整治二期工程跨航道橋梁工程中的一座橋梁。主橋采用一跨跨越航道，主橋跨徑為127 m。上部結構為下承式系桿拱橋，橫向采用兩片拱肋，拱軸線為二次拋物線型，計算跨徑為124 m，計算矢高24.8 m，計算矢跨比1∶5。主橋橋寬34 m，車行道與非機動車道位于兩片拱肋內側，人行道與機動車道分離，懸挑在拱肋外側。主橋的立面見圖1，斷面見圖2。

圖1 主橋立面圖（單位:mm）

圖2 主橋斷面圖（單位:mm）

縱橋向主橋兩端通過豎向支承支座（每端各設兩個支座）作用在橋墩上，為外部簡支體系。上部結構由鋼管混凝土拱肋、縱梁、中橫梁、端橫梁、柔性吊桿及后澆縱梁、后澆橋面系組成。拱肋采用鋼管拱，鋼管形狀為圓端形，采用Q345D鋼材；拱肋成形后，鋼管內灌注微膨脹C50混凝土。拱肋間設置風撐，確保拱肋空間穩定。拱肋內設吊桿張拉端錨具。吊桿均為平行吊桿，間距5 m，全橋共設22對（共44根），所有吊桿均位于拱肋平面內；吊桿鋼束采用環氧噴涂鋼絞線成品索。縱梁與橫梁采用預應力混凝土結構，預應力體系采用Φs15.2高強度低松馳鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，波紋管采用塑料波紋管。橋面系設2%橫坡，橋面板為等厚度250 mm鋼筋混凝土結構。主橋每個主墩基礎采用27根直徑為1.2 m的混凝土鉆孔灌注樁，樁長63 m。

為了減輕施工期間對航道的影響，主橋施工采用先拱后梁的施工方法，即：在河道中搭設兩個臨時支墩作為架設拱肋節段的支架，拱肋分三段吊裝，拱肋與風撐安裝完畢后按計算控制值張拉臨時水平拉索，然后分兩次灌注拱肋內混凝土并按相應的計算控制值分兩次張拉臨時拉索，確保水平止推裝置在拱肋支架拆除前不受力，僅起水平向限位的作用；隨著橋面混凝土橫梁的吊裝，通過按計算控制值張拉臨時拉索來控制止推裝置的受力，在系梁整體形成且張拉預應力之前，拱肋的水平力由臨時拉索與止推裝置共同承受；當所有橫梁吊裝完畢、系梁澆筑整體形成剛度后，分批張拉預應力鋼束，系梁的預應力分次“替換”臨時拉索與止推裝置中的水平力，并分批拆除臨時拉索，當然，在系梁預應力張拉過程中，也要有效控制系梁混凝土的壓應力水平；所以，在主橋施工過程中，主要存在兩個關鍵技術問題-臨時水平拉索與水平止推裝置的共同受力與系梁預應力的張拉控制，必須經過詳細的分析并得到充分的解決，才能確保施工的順利進行。

上海城投航道建設有限公司是本橋的建設管理單位，對整個橋梁的施工進行了全面的技術管理，參與討論與分析并解決了主橋施工過程中存在的一些關鍵技術問題，特別是以上提出的兩個關鍵技術問題。以下對此進行總結。

2 主橋結構分析的計算模型

對以上兩個關鍵技術問題的分析離不開對主橋施工過程的結構分析，這里先來介紹一下主橋結構分析的計算模型。

主橋結構分析的計算模型采用結構分析軟件Midas建立，模型中采用的單元有三維梁單元、桿單元與板單元；其中，橋面板采用板單元模擬，吊桿采用桿單元模擬，其余結構均采用三維梁單元模擬。由于施工過程中拱腳處水平止推裝置承受水平力，而水平力通過立柱傳遞到基礎，所以計算模型必須考慮樁-土剛度，樁-土剛度采用土彈簧模擬，彈簧剛度根據m法利用規范[1]中的計算公式計算得到。此外，樁與承臺間連接采用剛性連接進行模擬，支座采用彈性連接進行模擬，止推裝置采用單向彈簧支座進行模擬。

主橋結構計算模型見圖3。整個計算模型中共有：梁單元2 868個，板單元3 572個，桿單元52個，包括48個吊桿單元及8個臨時系桿單元，節點數合計5 730個。

圖3 主橋計算模型的幾何圖

此外，需要說明的是，利用Midas建立的主橋結構分析的計算模型，根據施工圖設計圖紙詳細劃分了各個施工過程，在這里不再一一介紹。

3 臨時水平拉索與止推裝置水平力的控制

如上所述，主橋施工采用先拱后梁的施工方法，在系梁整體形成且張拉預應力之前，拱肋的水平力由臨時拉索與止推裝置共同承受。根據施工圖設計的施工順序以及施工監控方案，臨時拉索分6次張拉，見表1。

表1 臨時拉索分次張拉的施工順序

全橋共有22片橫梁，表1中橫梁的編號從拱腳處到跨中依次為HL1～HL11，每個橫梁編號代表了以拱肋中心線為對稱的兩片橫梁，施工時南、北兩側的橫梁必須對稱吊裝。

利用主橋結構分析計算模型，并經過多次優化，得到每個階段每根臨時拉索的張拉力以及對應階段的單片拱肋水平力與單對止推裝置所承受的計算水平力，見表2。全橋共有8根水平臨時拉索，安裝于兩側端橫梁與拱腳處各4根；并且安裝了兩對水平止推裝置，每片拱肋各一對。

從表2的數值可知，在臨時拉索第3次張拉完成后，拱肋止推裝置還沒有受力。根據表2的計算結果，選取幾個代表施工階段對拱肋水平

表2 臨時拉索各個張拉階段的結構水平力計算值

力、臨時拉索拉力與止推裝置水平力進行了計算，見表3。

表3 各代表施工階段的結構內力計算值

由表3的數據可以得到，止推裝置在拱肋支架拆除后開始承受水平力，初始水平力為118 kN，當系梁澆筑完成且未張拉預應力時，止推裝置承受的水平力為最大，達4 009 kN，小于設計允許值5 000 kN-綜合考慮了立柱、樁基與止推裝置本身的允許承載能力；此時，單片拱肋的水平力為21 287 kN，而單根臨時拉索的拉力為4 319 kN，相比張拉控制值4 300 kN增加很少。

以上計算得到的臨時拉索與止推裝置水平力控制值是在理想的施工條件下得到的，沒有考慮環境溫度變化等因素的影響。根據當時的實際施工情況，拱肋在5月份合龍，而系梁的澆筑將在炎熱8月～9月份完成，所以結構的受力將受到環境溫度變化的影響。經分析，主橋結構受整體升溫作用時，止推裝置限制主橋結構的水平向變形，會產生一個附加的推力，這個附加力會影響施工過程止推裝置受力的安全性；在計算附加力的時候，考慮了地基土m值的兩種取值情況，第1種情況：21 m以上為淤泥層，取m=3,000 kN/m4，21 m以下取m=5,000 kN/m4；第2種情況：m值統一取為5,000 kN/m4。在考慮結構整體升溫溫度取值的時候，綜合考慮了拱肋合龍溫度與系梁合龍溫度的差值以及系梁合龍段施工日可能的最高溫與最低溫的相對差值，取為15度對于結構來說應該是相對安全的。結構整體升溫15度對臨時拉索以及止推裝置水平力的影響見表4。

表4 整體升溫15度對結構要素受力的影響

根據表4的計算數據，可以得到以下分析結果及施工建議：

（1）地基上層土m值取3 000～5 000 kN/m4對計算結果影響很小。

（2）在主橋系梁剛度未形成之前，結構整體升溫引起拱腳止推裝置的附加水平推力相對較小，為500 kN左右；在系梁剛度形成之后，結構整體升溫引起拱腳止推裝置的附加水平推力相對較大，為2 000 kN左右。

（3）如果考慮15℃的整體升溫，在系梁澆筑完成、系梁預應力張拉之前，拱腳止推裝置的計算水平力可能達6 000 kN左右，超過設計的允許水平力；但是，考慮到整體升溫會使臨時拉索受壓，也即拉索的拉力會有所降低；根據當時臨時拉索的監測數據，拉索的現存拉力小于張拉目標值，所以建議施工單位在系梁濕接頭混凝土澆筑前，對臨時拉索進行補張拉或適當超張拉，以減小止推裝置所承受的水平力，確保施工的安全。

（4）在系梁混凝土澆筑時，要合理確定其合龍溫度，盡量降低結構的體系升溫效應，減小拱腳止推裝置由結構整體升溫引起的附加水平力；并且在施工時要加強監測主墩與水平止推裝置的受力。

4 系梁預應力張拉的控制與優化

在系梁沒有張拉預應力之前，拱肋拱腳的水平力由臨時水平拉索以及拱腳處水平止推裝置共同承受，控制好臨時拉索以及止推裝置的受力是主橋施工能夠順利進行的關鍵一步，隨著系梁澆筑完成且形成剛度后，以“等量替換水平力及確保系梁受壓”的原則來控制系梁預應力的張拉。

根據表3的計算結果，當系梁全部澆筑完成后，單片拱肋總的水平力為21 287 kN，并依據施工圖設計的施工順序以及施工監控方案，經過詳細的分析，建議臨時水平拉索拆除時機如下：

（1）第 1階段：張拉完腹板鋼束 N3、N4、N5后拆除端橫梁處四根臨時水平拉索；

（2）第2階段：張拉完腹板N6鋼束和2束N1鋼束后，視具體情況，若水平止推裝置已經與主墩分離，則拆除拱腳處四根臨時水平拉索，若還未分離，則繼續對稱張拉兩束N1底板束，再拆除拱腳處四根臨時水平拉索。

系梁鋼束布置截面見圖4，圖4中編號N1-1表示：N1是鋼束編號，鋼束編號后-1表示張拉順序，其它鋼束同此。

圖4 系梁鋼束布置截面圖

根據臨時水平拉索拆除時機，各個階段系梁預應力總張拉力與未“替換”水平力見表5。由表5的數據可得，第1階段系梁預應力的張拉，有效“替換”了絕大部分由臨時拉索與止推裝置承受的水平力，拆除端橫梁處四根水平臨時拉索是安全的；第2階段預應力張拉完成后，系梁預應力總張拉力大于由臨時拉索與止推裝置承受的水平力，理論上止推裝置與主墩已分離，可以拆除拱腳處的4根臨時水平拉索，所有水平力被有效“替換”。

表5 各個階段預應力總張拉力與未替換的水平力

為分析系梁澆筑完成后、預應力張拉與臨時水平拉索拆除等施工過程對系梁應力的影響，人為地把系梁澆筑完成后至主橋成橋按施工順序劃分了多個施工階段。特別需要說明的是，根據施工圖設計的施工順序，橋面板施工之前應張拉完所有的系梁預應力；根據分析結果，在所有預應力張拉完后，在近拱腳的系梁濕接頭處上緣出現19.0 MPa左右的壓應力，雖然這個壓應力能夠滿足規范[2]規定的施工過程短暫應力的要求，但是，由于沒有考慮溫度效應、剪力滯效應以及其它一些因素的影響，實際的壓應力可能要大于這個值；根據工程設計經驗，施工階段C50系梁混凝土的壓應力一般控制在18 MPa以內。所以，在實際的施工中對預應力鋼束的張拉順序進行了優化，把頂板鋼束N7的最后兩束在橋面板施工完成后再張拉，這樣可以有效控制混凝土的壓應力。各個施工階段系梁混凝土的最大壓應力見表6。

表6 各個施工階段系梁混凝土的最大壓應力

根據計算分析結果及表6的應力數據可以得到，系梁在預應力張拉、臨時水平拉索拆除至最終的成橋過程中處于全截面受壓狀態，且最大壓應力控制在比較合理的限值內，這也進一步說明，系梁預應力鋼束張拉順序的局部優化還是非常必要且十分有效。

5 結語

南葉公路橋主橋一跨過河，采用跨徑127m的鋼管混凝土系桿拱橋，為減輕施工期間對航道的影響，采用先拱后橋的施工方法；主橋施工過程工序較多且比較復雜，施工過程需要解決的技術問題較多，經仔細分析，臨時水平拉索與水平止推裝置的共同受力與系梁預應力的張拉控制是主橋施工過程的兩個關鍵技術問題。

由于本橋的建設過程中及時關注并順利解決了以上關鍵技術問題，使整個建設過程推進比較順利。目前，南葉公路主橋結構的施工已經順利完成，本橋成功實施的技術經驗路線可為同類型橋梁的建設提供有價值的參考。