高速鐵路（90+200+90）m連續剛構拱拱肋施工方法研究

傅安民

中國鐵路設計集團有限公司，天津300308

在橋梁工程中，不同的施工方法對應的結構體系、荷載類型和受力特點各不相同，因此橋梁設計時應對成橋后的結構進行驗算，還須考慮相應施工方法，以便準確模擬橋梁施工階段和運營階段的結構體系和受力特點，保證橋梁施工安全與健康運營。大跨度連續剛構拱橋拱肋的施工方法主要有支架施工法和轉體施工法。文獻［1］對豎向轉體法拱肋架設、拱肋混凝土泵送順序等主要施工過程進行了研究。文獻［2］提出了一種新型鋼-混凝土組合拱橋的豎向轉體體系，并對其關鍵部位進行了受力分析。文獻［3］詳細闡述了鋼管拱豎向轉體施工方案、安裝方法及同步提升豎向轉體施工的控制要點。文獻［4］對采用貝雷架體系搭建不同結構形式的拱肋支架方案進行了優化和研究。文獻［5］對施工過程中鋼管拱肋支架的搭設安裝、鋼管拱肋混凝土的灌注與拱肋支架拆除的施工順序進行了研究。文獻［6］介紹了橋面少支架法施工工藝、施工步驟和施工控制要點。文獻［7］提出了大跨度簡支拱支架施工法的施工方案設計。文獻［8］對一座鋼管混凝土拱橋施工方法構建了以成本、工期、技術可行性、施工條件、環境保護五大因素為評價指標體系的層次評價模型，確定了纜索吊裝法為相對較優的施工方案。文獻［9］提出了先支架拼裝再豎向轉體合龍的方案，通過方案比選，采用單拱肋和雙拱肋單元整體吊裝相結合的纜扣法施工方案。文獻［10-11］從施工安全性、施工工期、可靠性、經濟性、現澆支架的受力性能和保證拱肋節段拼裝精度、線形控制等方面確定了豎向轉體法為較優的施工方案。文獻［12］對比分析了支架拼裝和豎向轉體兩種方法在施工過程中的內力、應力及豎向位移。

上述文獻主要對拱肋某一種施工方法的施工技術、施工步驟、關鍵部位受力進行研究，或從施工安全性、技術可行性、經濟性等對拱肋施工方法進行對比研究，而關于支架施工和豎向轉體施工方法對拱肋混凝土和拱肋鋼管受力、變形的影響分析較少。

本文以一座高速鐵路大跨度連續剛構拱為例，采用MIDAS/Civil模擬施工過程，對支架施工和豎向轉體拱肋施工方法下施工階段和運營階段拱肋混凝土和拱肋鋼管的內力、應力、位移進行對比分析。

1 工程概況

一座高速鐵路橋梁在景德鎮內跨越昌江，主橋上部結構類型為（90+200+90）m預應力混凝土連續剛構與鋼管混凝土拱組合結構。設計速度350 km/h，ZK活載，雙線線間距5 m，軌道結構形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，位于直線-9.5‰～7.5‰的縱坡上。環境類別為碳化環境，作用等級為T2級，年平均相對濕度78%。橋址處地震設防烈度Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05g。采用先梁后拱的施工方法，即在主梁掛籃懸臂澆筑施工完成后再進行拱肋的施工。主橋橋型布置如圖1所示。

圖1（90+200+90）m連續剛構拱橋型布置（單位：m）

主梁采用單箱雙室變高度直腹板箱形截面，中支點處梁高11.5 m，邊跨直線段和跨中直線段梁高5 m，梁底下緣按二次拋物線變化。主梁頂寬一般段13.2m，中支點處考慮拱腳影響，主梁頂寬線性變化為15.9 m，底寬均為10.8 m。主墩采用雙肢薄壁墩，為普通鋼筋混凝土結構，雙肢薄壁墩中心間距6.4 m，壁厚2.0 m，2#、3#墩墩高均為27 m。拱肋采用豎直平行鋼管混凝土啞鈴拱（圖2），從橋面開始起拱，兩拱肋中心距11.9 m，拱肋立面矢高40 m，計算跨度為200 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線。拱肋高3.3 m，拱肋鋼管直徑1.2 m，壁厚為20、24 mm，腹板壁厚16 mm。拱肋鋼管及腹腔內灌注混凝土。拱肋間設置11道桁架式橫撐，橫撐為空鋼管，內部不填充混凝土。吊桿采用整束擠壓鋼絞線，吊桿縱向間距9.0 m，共設20對縱向雙吊桿。拱腳橫向寬1.9 m，橫向兩側邊緣距離拱肋鋼管0.35 m。

圖2（90+200+90）m連續剛構拱拱肋布置（單位：cm）

2 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil進行模擬計算，全橋共劃分為1 893個單元，1 338個節點。主梁、橋墩、承臺、拱腳、拱肋、橫撐各桿件均采用三維梁單元進行模擬。拱肋采用啞鈴形截面，鋼管內部填充混凝土，采用雙單元、共節點的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊桿采用桁架單元模擬，僅考慮軸向的拉伸剛度。

主梁、拱腳均采用C60混凝土，拱肋采用C55自密實補償收縮混凝土，主墩墩頂以下2.2 m范圍采用C60混凝土，并同主梁一起澆筑，其余部分采用C50混凝土。拱肋鋼管、橫撐采用Q345qD鋼材，吊桿采用整束擠壓鋼絞線吊桿。主梁、拱肋混凝土、主墩、拱腳、拱肋鋼材的重度按結構實際重量進行換算，分別取26.5、24.0、27.0、29.1、95.2 kN/m3，彈性模量、泊松比及其余結構的重度均按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》相關要求考慮。主梁、拱肋混凝土收縮徐變按JTGD62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算，其中主梁相對濕度根據氣象資料取78%，拱肋混凝土相對濕度考慮所處環境予以折減，取90%。

主梁與吊桿之間，拱肋與橫撐之間的連接均采用彈性連接中的剛性連接進行模擬，主梁與主墩之間的連接采用主從節點約束模擬。主墩承臺底采用六自由度的節點彈性支承來模擬樁-土相互作用。

3 拱肋施工方法模擬

在MIDAS/Civil中模擬大跨度連續剛構拱橋拱肋支架施工和豎向轉體施工，并選取拱腳、拱肋變截面（距拱腳6 m處）、1/4跨和拱頂四個位置的內力、應力及位移進行對比分析。

3.1 支架施工法

①施加橋面臨時荷載階段，模擬拼裝拱肋用支架重量；②拱肋鋼結構安裝階段，僅模擬拱肋在支架上全部焊接完成后的狀態；③施加拱肋混凝土濕重階段，模擬泵送拱肋混凝土過程，但混凝土還無法承受外荷載作用；④拱肋混凝土成型階段，模擬拱肋混凝土成型后能承受外荷載的狀態；⑤拱肋支架移除階段，模擬移除拱肋支架的過程，即鈍化拱肋節點彈性支承及拱肋支架重量。

3.2 豎向轉體法

①施加橋面臨時荷載階段，模擬拼裝拱肋用臨時支架及拱肋鋼管、橫撐等重量；②拱肋鋼結構安裝階段，僅模擬拱肋豎向轉體并合龍后的拱肋就位狀態，省略了拱肋豎轉、合龍等過程；③施加拱肋混凝土濕重階段，模擬泵送拱肋混凝土過程，但混凝土還無法承受外荷載作用，同時鈍化拼裝拱肋用臨時支架重量；④拱肋混凝土成型階段，模擬拱肋混凝土成型后能承受外荷載的狀態。

4 施工階段拱肋施工方法分析

取拱肋鋼結構安裝、施加拱肋混凝土濕重、拱肋混凝土成型、拱肋支架移除等施工階段進行拱肋施工方法分析。考慮到拱肋施工是較為靠前的一個施工階段，后續施工階段拱肋受力是否會受拱肋施工方法的影響還須進一步研究。因此，增加吊桿張拉結束階段即安裝吊桿D10階段，對比分析拱肋鋼管和拱肋混凝土的內力、應力及位移。

4.1 內力對比

4個施工階段結構內力對比分別見表1—表4。表中軸力以受拉為正，受壓為負；彎矩以截面下緣受拉為正，截面下緣受壓為負。

表1 拱肋鋼結構安裝階段內力

表2 施加拱肋混凝土濕重階段內力

表3 拱肋混凝土成型階段內力對比

表4 安裝吊桿D10階段內力

由表1—表4可知：①由于拱肋鋼結構安裝階段及施加拱肋混凝土濕重階段支架施工法有拱肋支架支承，拱肋鋼管的軸力和彎矩均較小，而豎向轉體法中拱肋鋼管須承擔自重及拱肋混凝土濕重，拱肋鋼管的軸力和彎矩均較大。②在拱肋混凝土成型階段，采用支架施工法時拱肋鋼管除拱頂處彎矩比豎向轉體法時略大外，其余位置軸力和彎矩均比豎向轉體法時小。該階段兩種施工方法的拱肋混凝土軸力和彎矩均較小，差異不大。③在安裝吊桿D10階段，采用支架施工法時拱肋混凝土除1/4跨處彎矩比豎向轉體法時略小外，其余位置的軸力和彎矩均比采用豎向轉體法時大，而拱肋鋼管除拱頂處彎矩比豎向轉體法時略大外，其余位置的軸力和彎矩均比采用豎向轉體法時小。

綜上，采用支架施工法時，拱肋混凝土和拱肋鋼管能更均勻地分擔外荷載作用。采用豎向轉體法時，拱肋鋼管的內力較大，而拱肋混凝土的內力較小。

4.2 應力對比

4個施工階段結構應力對比分別見表5—表8。表中應力以受拉為正，受壓為負。由表5—表8可知：兩種拱肋施工方法下，拱肋鋼管和拱肋混凝土應力規律與內力規律相似。①采用支架施工法時，在拱肋支架移除前的拱肋混凝土成型階段，除拱腳附近拱肋鋼管應力達到3 MPa外，其余位置拱肋鋼管應力均不到2 MPa，拱肋混凝土應力很小，可忽略不計。在安裝吊桿D10階段中，拱肋鋼管和拱肋混凝土的應力均有所增大，拱肋鋼管上下緣壓應力最大值分別為35.2、60.9 MPa，發生在拱頂和拱腳位置。拱肋混凝土上下緣壓應力最大值分別為4.8、8.1 MPa，發生在拱頂和拱腳位置。②采用豎向轉體施工法時，在拱肋混凝土成型階段，拱肋鋼管的應力較大，拱肋鋼管上下緣壓應力最大值分別為78.3、120.0 MPa，發生在1/4跨和拱腳位置。拱肋混凝土的應力較小，可忽略不計。在安裝吊桿D10階段中，拱肋鋼管和拱肋混凝土的應力仍有增加，拱肋鋼管上下緣壓應力最大值分別為79.1、131.0 MPa，發生在1/4跨和拱腳位置。拱肋混凝土上下緣壓應力最大值分別為2.0、1.7 MPa，發生在拱頂和拱腳位置。

表5 拱肋鋼結構安裝階段應力 MPa

表8 安裝吊桿D10階段應力對比 MPa

綜上，采用支架施工法時，拱肋混凝土和拱肋鋼管之間的應力分布比豎向轉體法時更均勻，拱肋混凝土應力比采用豎向轉體法時略大，而拱肋鋼管的應力比采用豎向轉體法時小。

表6 施加拱肋混凝土濕重階段應力 MPa

表7 拱肋混凝土成型階段應力對比 MPa

4.3 位移對比

主要施工階段拱頂豎向位移見表9。表中位移向上為正，向下為負。可知，拱肋混凝土成型后豎向轉體施工法的拱頂位移是支架施工法的2.4倍。在安裝吊桿D10階段，兩種拱肋施工方法的拱頂位移均有所增加，豎向轉體法拱頂位移是支架施工法的1.9倍。

表9 主要施工階段拱頂位移對比 mm

5 運營階段拱肋施工方法分析

為分析兩種拱肋施工方法對運營階段拱肋受力的影響，取施工完二期恒載后30年即“運營30年階段”恒載作用下拱肋鋼管和拱肋混凝土的內力、應力及位移進行對比。

運營30年階段內力對比見表10。可知，運營階段受二期恒載施工、混凝土收縮徐變的影響，兩種拱肋施工方法的內力差異與施工階段有所不同。在運營30年階段，采用支架施工法時拱肋混凝土軸力比采用豎向轉體法時略大，彎矩比采用豎向轉體法時小（拱頂除外），而拱肋鋼管軸力比采用豎向轉體法時小，拱肋鋼管彎矩除1/4跨和拱頂位置支架施工法比豎向轉體法時略大以外，其余位置均比豎向轉體法時小。

表10 運營30年階段內力對比

運營30年階段應力對比見表11。可知：①采用支架施工法時，拱肋鋼管上下緣壓應力最大值分別為77.2、91.0 MPa，發生在拱頂和拱肋變截面位置。拱肋混凝土上下緣壓應力最大值分別為3.7、4.0 MPa，發生在拱腳和拱肋變截面位置。②采用豎向轉體施工法時，拱肋鋼管上下緣壓應力最大值分別為104、147 MPa，發生在拱頂和拱肋變截面位置。拱肋混凝土上下緣壓應力最大值分別為3.2、2.2 MPa，發生在拱腳和1/4跨位置。

表11 運營30年階段應力對比 MPa

運營階段與施工階段的應力變化規律一致。采用支架施工法時拱肋混凝土應力比采用豎向轉體法時大，而拱肋鋼管的應力比采用豎向轉體法時小。由于兩種拱肋施工方法的拱肋混凝土應力均不大，且混凝土壓應力可以抵消運營階段活載產生的拉應力，所以運營階段恒載作用下拱肋混凝土壓應力越大對結構越有利。而豎向轉體法的拱肋鋼管壓應力已達到鋼材基本容許應力的70%，考慮運營階段活載還將產生壓應力，所以運營階段恒載作用下拱肋鋼管壓應力越小對結構越有利。因此，從拱肋受力方面考慮，支架施工法比豎向轉體法更有優勢。

運營30年階段采用拱肋支架施工法和豎向轉體法的拱頂豎向位移分別為-67.4、-99.1 mm，采用豎向轉體法的拱頂位移為采用支架施工法的1.5倍。

6 結論

1）在拱肋施工階段，采用支架施工法時拱肋混凝土軸力和彎矩均比采用豎向轉體法時大，而拱肋鋼管的軸力和彎矩均比采用豎向轉體法時小。在運營階段，采用支架施工法時拱肋混凝土軸力比豎向轉體法時大，彎矩除拱頂位置比豎向轉體法時略大以外，其余位置均比豎向轉體法時小，而拱肋鋼管軸力比采用豎向轉體法時小，拱肋鋼管彎矩除1/4跨和拱頂位置支架施工法比豎向轉體法時略大以外，其余位置均比豎向轉體法時小。

2）在拱肋施工階段和運營階段，采用支架施工法時拱肋混凝土應力均比采用豎向轉體法時大，而拱肋鋼管的應力比采用豎向轉體法時小。

3）在拱肋施工階段和運營階段，采用豎向轉體法的拱頂位移均比采用支架施工法時大，豎向轉體法的拱頂位移分別是支架施工法時的2.4倍和1.5倍。

4）從拱肋受力及變形方面考慮，支架施工法比豎向轉體法更有優勢。