黃河流域下承式網狀系桿拱橋總體施工方案比選*

孫 濤，霍凱榮，李 博，朱小金，李昊天

(中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710119)

1 工程概況

濟南齊魯黃河大橋項目主橋為下承式網狀系桿拱橋，跨徑布置為 (95+280+420+280+95)=1 170m(見圖1)，采用公軌同層軌道居中的設計方案，上部結構系梁采用正交異性組合橋面板組合梁，梁高4.12m，鋼箱梁設計寬度60.7m，梁上現澆12cm厚高強纖維混凝土。鋼拱肋采用五邊形鋼箱斷面，420m跨主拱水平投影矢高69.5m，矢跨比1/6， 主拱拱軸線采用2次拋物線，提籃形拱，拱肋內傾角3.0°，拱腳之間的橫橋向軸線距離為14.568m。鋼箱梁總重37 473t，其中420m跨鋼箱梁重13 221t；拱肋總重14 175t，其中420m跨拱肋重 7 763t。

圖1 濟南齊魯黃河大橋主橋立面(單位：m)

黃河由于多年以來泥砂淤積的原因，導致有水不能通船、無水不能行車。需綜合考慮工程安全、質量、進度、經濟等多方面因素，研究鋼梁、拱肋的施工順序以及拱肋的安裝工藝。

2 主橋施工方案比選

2.1 鋼箱梁施工方案

根據現場條件，在黃河南岸布置鋼箱梁拼裝平臺，采用步履式千斤頂頂推施工安裝鋼箱梁[1-2]，次中跨、中跨分跨頂推。鋼箱梁9m為1個節段，每次在拼裝平臺上拼裝2～4節后進行頂推。根據黃河水利委員會的管理要求，頂推臨時墩間距按72m控制。標準梁段構造如圖2所示。

圖2 標準梁段構造

2.2 拱肋施工順序對比

濟南齊魯黃河大橋為下承式拱橋，鋼拱肋坐落在鋼箱梁上，無法采用先拱后梁施工工藝，本文主要對梁拱同步頂推施工方案[3]和先梁后拱施工方案進行對比。

2.2.1梁拱同步頂推施工方案

在一整跨鋼箱梁拼裝完成后，在鋼箱梁上完成拱肋拼裝，再在拱肋和鋼箱梁之間設置臨時支撐，然后將鋼箱梁、拱肋整體頂推，頂推就位后，拆除臨時支撐、安裝吊索，進行橋面混凝土施工。

2.2.2先梁后拱施工方案

鋼箱梁在拼裝平臺上逐節拼裝、逐節頂推。頂推就位后，進行拱肋拼裝、吊索安裝以及橋面混凝土施工。

2.2.3方案比選

1)工期 由于鋼箱梁拼裝平臺的位置受限，鋼箱梁需在黃河南岸大堤的拼裝平臺上拼裝成型，頂推到北岸就位。

如采用梁拱同步頂推施工方案，北岸280m跨鋼箱梁拼裝完成后，需先完成北岸280m拱肋和臨時支撐的安裝，并同步頂推北岸280m跨鋼箱梁、拱肋整體結構離開拼裝平臺后，方可進行中跨420m跨鋼箱梁拼裝。同理，南岸280m跨鋼箱梁需待中跨420m跨鋼箱梁與拱肋整體頂推到位后方可進行拼裝施工。

如采用先梁后拱施工方案，北岸280m鋼箱梁拼裝完成之后，將其往黃河北岸頂推離開拼裝平臺，在鋼箱梁頂推前移的同時，進行中跨420m鋼箱梁拼裝和頂推前移施工。鋼箱梁頂推施工順序按照北岸280m跨、中跨420m跨、南岸280m跨依次進行。在鋼箱梁頂推到位后，即可在已就位的鋼箱梁上進行拱肋安裝。

通過對比，先梁后拱施工方案比梁拱同步頂推施工方案的施工工期可節省大約6個月。

2)經濟性 梁拱同步頂推施工方案，在頂推施工之前，需在鋼箱梁與拱肋之間設置臨時支撐，將鋼箱梁和拱肋形成臨時桁架體系。頂推質量為鋼箱梁、拱肋以及臨時支撐的總和，在頂推長度相等的情況下，頂推質量大，對臨時墩的承載能力和頂推設備的性能要求高，臨時墩投入大。

先梁后拱施工方案中，單獨頂推鋼箱梁，落梁到位后方可進行拱肋安裝。無須梁、拱之間的臨時支撐，頂推質量小，對臨時墩的承載能力要求相對較低，臨時墩的投入相對較小；而拱肋安裝所需的投入不會有太大變化，只是拱肋安裝位置不同。

通過對臨時墩、臨時支撐的材料投入對比，先梁后拱施工方案比梁拱同步頂推施工方案的支架投入量可節省大約6 000t鋼材。

3)安全性 兩種方案的鋼箱梁頂推施工工藝和拱肋安裝工藝均一致，唯一不同之處為：梁拱同步頂推時，拱肋已安裝在鋼箱梁上方，頂推噸位大。以420m跨為例，梁拱同步頂推時，僅鋼箱梁和拱肋質量即已達到20 984t，每延米的質量達49.96t。先梁后拱施工時，僅鋼箱梁單獨進行頂推，上方無其他附加荷載，頂推噸位相對較小，對頂推的控制相對較容易。以420m跨為例，每延米的頂推質量為31.48t，與梁拱同步頂推相比，每延米質量小18.48t。

對于梁拱同步頂推方案，在連續梁狀態下，單個斷面上臨時墩需承載36 000kN以上。本項目的鋼箱梁在成橋狀態下為受拉結構，而在頂推過程中頂、底板局部需承受很大的壓力，特別是在臨時墩頂處鋼箱梁的局部壓力非常大，在頂推過程中鋼箱梁的受力非常敏感，對頂推設備要求高。梁拱同步頂推其結構剛度變化大，頂推過程受力及變形復雜，對頂推施工及過程控制要求高。

因此，梁拱同步頂推施工方案比先梁后拱施工方案的施工安全風險更大。

2.3 拱肋施工方案比選

以中跨420m拱肋施工為例[4]，對比分析豎轉提升法[5-7]、滿堂支架法[8-9]和垂直提升法[10]。

2.3.1豎轉提升法

將主橋中跨420m鋼箱梁整跨頂推到位后，需在P20，P21號墩旁或鋼箱梁頂面安裝可供拱肋轉體施工的塔架，在梁上拼裝拱肋，拱肋拼裝完成后，在塔架與拱肋間安裝拱肋豎轉施工用的后背索、轉體拉索，并將拱肋豎轉到位。方案可行性分析如下。

1)受寬梁窄拱的影響，若要借助P19和P22號主墩設置背索錨固墩，后背索安裝需要斜向穿過次中跨的梁體，對鋼箱梁結構質量控制不利。

2)若要避免箱梁斜向開洞，需要在紅線以外單獨設置臨時錨墩，根據現場實際情況，臨時錨墩選址難以避開基本農田區域，基本不具備可行性。

表1 中跨420m拱肋施工方案對比分析

2.3.2滿堂支架法

在鋼箱梁橋面完成滿堂支架的搭設后，將在后場加工成型的拱肋節段運至現場，利用梁上的門式起重機進行安裝，支架布置如圖3所示。

圖3 拱肋滿堂支架法拼裝示意

2.3.3垂直提升法

拱肋縱橋向分成3段進行拼裝，中段拱肋采用低位拼裝、垂直提升法安裝，邊段拱肋采用梁上支架拼裝，待3段拱肋均拼裝完成后，分級張拉豎向拉索和水平拉索，通過調整水平拉索的有效拉力來控制中段拱肋拱腳處的變形。通過連續提升千斤頂整體豎向提升中段拱肋，中段拱肋提升到位后與邊段拱肋進行焊接合龍，如圖4所示。

圖4 拱肋垂直提升示意(單位：m)

2.3.4方案比選

施工方案比選如表1所示，結論如下。

1)因橋梁紅線外為大量基本農田和黃河水利委員會禁止施工區域，現場基本不具備臨時錨墩布置條件，所以不推薦采用豎轉提升方案。

2)在施工工期方面，各方案差別不大。

3)在施工技術難度方面，滿堂支架方案具備一定的優勢。

4)在設備方面，滿堂支架法因所用門式起重機支腿高達80m，相對垂直提升方案門式起重機自身施工安全風險更高；且滿堂支架方案因門式起重機自重更大，梁上支架荷載更大，對鋼箱梁自身的應力及變形影響更大。

5)如中跨420m拱肋施工使用垂直提升法，門式起重機支腿高約60m，可同時滿足次中跨280m拱肋采用滿堂支架法時的門式起重機高度要求。

3 結語

綜合考慮工期、施工難度、經濟性、安全性等方面，濟南齊魯黃河大橋項目采用先梁后拱施工工藝，次中跨280m拱肋推薦采用滿堂支架法進行施工，中跨420m拱肋推薦采用低位拼裝+垂直提升法進行施工。