中承式鋼桁架系桿拱橋設計與施工關鍵技術研究*

張大鵬

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

國內一些學者對中承式鋼桁架拱橋進行了一些研究，如蔡亮[1]、周超舟等[2]以某橋梁為研究對象，分析了該橋的結構特點和施工技術難點，總結了主橋上部結構的施工控制方法，論述了體外預應力束張拉控制過程，分析了拱座附近混凝土拱肋的裂縫成因；田仲初等[3]、孟續東[4]以廣州飛燕式增城大橋為研究對象，通過方案對比確定了最優系桿張拉方法，使主橋受力最合理且穩定性滿足要求；施力可[5]、劉丹等[6]以某鋼桁拱梁施工為例，采用拱上起重機結合斜拉扣掛系統的半伸臂架設方法，結合施工全過程有限元分析，闡述了通過預偏預降方法實現邊墩精確上墩，主拱及剛性系桿無應力快速合龍施工技術，為同類型鋼梁施工提供了有力參考；榮學文[7]、常怡敏[8]以西安市藍田霸河大橋中承式鋼管混凝土系桿拱橋鋼拱肋架設為例，通過對拱內混凝土澆筑、系橫梁預應力張拉、吊桿張拉等關鍵施工過程的工藝介紹對每個施工階段相應的技術難點進行了分析研究，并在工程建設過程中得到有效應用；駱雙全[9]、竇勇芝[10]結合某中承式鋼管混凝土桁架拱橋維修加固工程實例，針對某類吊桿拱橋維修加固中由于受原結構構造尺寸制約等問題，考慮采用舊吊桿兩側新增吊桿替代舊吊桿加固的思路，并介紹了新增吊桿加固關鍵設計要點。雖然有關文獻已對中承式鋼桁架拱橋進行了一定的研究分析，然而，由于本文研究對象屬于大跨度鋼桁架拱橋，其具有結構體系要經過多次受力轉換、關鍵節點受力大、施工精度要求高、施工控制要求嚴格等難點，對其設計和施工關鍵技術研究很有必要。

1 工程概況及地質條件

橫琴二橋是珠海市打造珠江口西岸交通樞紐城市的重點工程，是貫穿珠海全市重要的交通大動脈。橫琴二橋采用的是中承式鋼桁架系桿拱橋，項目位于珠海市西南部，路線北起洪灣，設置紅東互通立交，紅東互通匝道落地后連接南灣大道延長線。主線起點樁號K0+970(右線)，對接洪灣樞紐互通立交，并通過洪灣樞紐互通立交向北接廣珠西線、向東連接港珠澳大橋珠海側接線、向西連通洪灣—鶴洲高速公路。路線向南跨越馬騮洲水道到達橫琴新區，之后路線高架于在建環島西路(F號路，環島西路中段、南段)之上，主線由北向南分別上跨濱海大道、環島北路、中心路、中心南路，終點位于中心南路附近處，并設置橫琴互通匝道落地后通過橫琴二線口岸后連接中心南路，路線全長6.806km。其中，主橋為雙向6車道公路橋，起始范圍為K2+089—K2+689，全長600m，主橋線路平面全部位于直線上。主橋上部結構為跨度(100+400+100)m的鋼桁拱架，主桁橫向中心間距36m，拱肋下弦矢高90m，拱頂處拱肋上、下弦的桁高7m，邊墩處桁高11m，節間長度分別為12，14，16m。橋面采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的結構形式，橫梁間距12～16m，次縱梁間距4m，預制混凝土橋面板厚26cm，通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。橋面采用9cm厚瀝青混凝土鋪裝，主橋600m范圍內橋面連續，不設置斷縫。主橋航道等級為I級航道，通行3 000t海輪；通航水位為3.102m，設計水位為3.306m；通航凈空為單孔雙向通航，330m×28m；運營狀態橋面處最大風速25m/s，百年一遇基本風速38.4m/s。主橋立面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

擬建場地灘涂、水塘等平坦低洼地帶地表土層中普遍存在10～30m厚軟土層，主要為海相沉積和海陸交互相沉積淤泥、淤泥質土，該層層位極不穩定，分布不均勻，土質軟，飽和，呈軟塑～流塑狀，靈敏度高、強度低、觸變性高，含有機質，極易造成填方路堤的失穩和不均勻沉陷。

2 主要設計方案

2.1 主橋約束體系

本橋約束體系采用簡支連續梁體系，小里程側(北引橋側)采用固定支座，其余各墩均設置單向或多向活動支座，中支座豎向承載力140 000kN，邊支座豎向承載力30 000kN。橫向活動支座處設置速度鎖定器，在地震作用下橫向約束。全橋支座布置如圖2所示。

圖2 全橋支座布置(單位：m)

2.2 平縱聯

拱肋上弦在A6～A6′節點間設置上平聯。上平聯采用米字撐，除與上橋門架相連的A6節點處的撐桿采用箱形桿件外，其余桿件均采用外高560mm的工字形桿件，桿件板厚10～24mm。拱肋下弦及邊跨下弦設置下平聯。下平聯橋面以上部分采用米字撐，除與下橋門架相連的G11節點處的撐桿采用箱形桿件外，其余桿件均采用外高560mm的工字形桿件，桿件板厚10～24mm；邊跨下弦每2個節間設1個X形撐，桿件采用外高750mm的工字形桿件，桿件板厚16～28mm。

2.3 橋面系

本橋采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的橋面系結構形式，橫梁間距12～16m，次縱梁間距4m，預制混凝土板厚26cm，通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。橋面上采用9cm厚瀝青混凝土鋪裝。主橋600m范圍內橋面連續，不設置斷縫。

1)鋼橫梁 鋼橫梁采用箱形和工字形2種截面形式。為了加強拱肋上、下弦與橋面系的聯系，增強結構的整體性，拱肋上、下弦與橋面相交位置的E9節點橫梁以及中墩對應橋面位置的E7節點橫梁均采用箱形截面。為增強邊跨橫梁抵抗部分面外彎矩的能力，邊跨及中跨的E1～E6，E8，E10～E12，E17節點橫梁端部均采用箱形截面，跨中采用工字形截面。其余位置的橫梁(E13～E16，E18～E23)梁端及跨中均采用工字形截面。

2)次縱梁 橋面橫向按4m等間距布置9道次縱梁，縱梁高1.3m，采用工字形截面。一端采用長圓孔，在所有次縱梁安裝完成之前，采用長圓孔與橫梁連接，可縱向活動，以減小橫梁面外內力及自身應力，在鋪混凝土板前，終擰高強螺栓。

3)混凝土橋面板 橋面板采用C60部分預應力混凝土板，厚26cm，平面分塊尺寸為4m×(12～16)m，每塊板內布置8束2-7φ5或3-7φ5預應力鋼絞線。預制混凝土橋面板鋪設在縱橫梁頂面，由跨中向兩邊逐段安裝、逐段澆筑濕接縫、并張拉相應的預應力束。

2.3.1系桿

在充分發揮鋼系桿承受水平推力的前提下，本橋采用剛性系桿和柔性系桿共同受力的混合系桿。剛性系桿主要指邊縱梁，采用鋼結構，H形截面，高2.1m、寬1.6m，板厚50mm，它與橫梁相連，傳遞橋面荷載產生的剪力和拱腳間巨大的水平推力。除2道邊縱梁外，橋面9道次縱梁也承受部分由混凝土板自重、橋面鋪裝及活荷載等使用荷載所產生的水平力。柔性系桿采用鋼絞線系桿索，其抗拉強度比主體結構鋼材的強度大很多，因而能節省鋼材，達到經濟的目的，此外柔性系桿力還能減小主拱縱向變形，使桿件受力更合理。另外，本橋采用混凝土橋面板，為了保證混凝土橋面板不全斷面受拉，也需利用柔性系桿的拉力來平衡橋面鋪裝及活荷載所產生的水平推力。系桿縱向布置如圖3所示，系桿錨固如圖4所示。

圖3 系桿縱向布置(單位：m)

圖4 系桿錨固示意

本橋柔性系桿為61孔可換索式系桿，索體為鍍鋅鋼絞線索，采用抗拉強度為1 860MPa級φ15.24鋼絞線，在每側設置4根系桿，均集中錨固在E9節點附近的縱梁內，錨固如圖4所示。鋪混凝土橋面板前每側張拉10 000kN，橋面板濕接縫澆筑完成后，每側張拉15 000kN，總索力25 000kN。

2.3.2吊桿

吊索及錨具采用標準強度為1 670MPa的鍍鋅平行鋼絲成品吊桿系列。吊桿布置如圖5所示，采用雙吊桿體系，全橋共108根吊桿。D1～D6采用 PES7-109型吊桿，D7～D14采用PES7-91型吊桿，吊桿長度為6.837～59.24m。

圖5 吊桿布置(單位：m)

吊桿上錨固端采用耳板式接頭，吊桿的下錨固端采用帶球冠墊塊的冷鑄錨，能有效減小次應力，錨點外露在橋面以上，不易積水，便于養護檢查。吊桿在下錨固點張拉。吊桿在拱肋下弦及縱梁上的錨固構造如圖6所示。

圖6 吊桿及錨固構造

2.3.3橋墩及基礎

1)橋墩 主墩及邊墩均采用雙柱式矩形截面橋墩，四角圓倒角，其中主墩截面尺寸為9m×9m，墩高均為8.5m；邊墩截面尺寸為5m(順橋向)×7m(橫橋向)，墩高分別為17.5m(珠海市區側)、18.5m(橫琴島側)。

2)承臺 主墩承臺橫橋向設2個承臺，橫向用2m×3m混凝土系梁相連，共同承受橫橋向水平力。每個承臺為矩形截面，四角設φ1.0m圓倒角，順橋向長度17m，橫橋向長度21.5m。承臺厚度為5m，其頂部設2m×2m倒角。因承臺受力較大，在其底面布置3層φ32鋼筋，頂面及四周側面均布置有構造鋼筋，中間布置有架立鋼筋。主橋邊墩采用分離式矩形承臺，四角設圓倒角。

3)基礎 主墩采用2個承臺，每個承臺下設12根φ2.5m鉆孔灌注樁，行列式布置，樁底嵌入中風化花崗巖(fak=1 500kPa)3.5m，按柱樁設計。樁基鋼筋籠主筋為2根1束φ32鋼筋。鉆孔樁及承臺采用強度等級為C45水下混凝土。邊墩基礎采用分離式群樁基礎，每個承臺下設9根φ1.8m鉆孔灌注樁，行列式布置。樁底均嵌入中風化花崗巖(fak=1 500kPa)2.2m，按柱樁設計。鉆孔灌注樁及承臺采用C45水下混凝土，主墩基礎采用鋼吊箱圍堰施工。

3 施工特點與難點分析

橫琴二橋由于其工程地點重要、地質情況復雜、施工條件苛刻以及技術要求高等特點，在施工過程中具有以下難點：①橫琴二橋毗鄰澳門，屬于珠海市的地標性建筑，外觀質量、環保要求極高。②主墩地質復雜，存在不同深度的淤泥層、砂層，且承臺范圍內存在大量拋石，極難清理，主墩樁基、承臺施工難度大。③在不同方面屬于國內同類型橋梁之最；主桁橫向中心間距36m，間距最大；單根桿件最大質量為128.3t，單吊重最重。④地處濱海地區，臺風季節長，降雨總量大，且過于集中，汛期持續時間長，海水潮汐不均勻正規，潮差很大；氣候對施工工期和施工安全帶來的壓力非常大。⑤施工水域航道為Ⅰ級航道，航運繁忙。施工作業與航運之間的矛盾十分突出，航道維護和占用問題將會對大橋施工方案的選擇、工程施工進度產生重大影響。⑥技術要求高，安全質量控制難度大。橫琴二橋屬于大跨度鋼桁架拱橋，結構體系要經過多次受力轉換，關鍵節點受力大，施工精度要求高，施工控制要求嚴格；結構桿件數量多、拼裝螺栓數量巨大，拼裝工序復雜，施工周期長；主拱所有拼裝過程均屬高空作業、施工工作面狹窄，操作工序多，施工安全風險大。安全質量控制難度大。⑦有效工期短，任務極重。

4 施工關鍵技術分析

4.1 下部結構施工方案

4.1.1樁基礎施工方案

根據主橋位處地質狀況及樁長情況，北岸主墩樁基成孔擬采用大型回旋鉆機，其他主引橋樁基成孔擬采用沖擊鉆。主要施工步驟為：橋墩處覆蓋層清理→利用門式起重機搭設鉆孔平臺→鉆孔施工。

4.1.2承臺施工方案

主墩采用鎖扣鋼管樁圍堰，邊墩采用鋼板樁支護。鉆孔灌注樁施工完畢，打設鋼管樁圍堰，清淤至封底混凝土底標高并進行水下混凝土封底，待封底混凝土強度達到要求后，抽水并進行圍堰內支撐，綁扎承臺鋼筋及安裝冷卻水管，安裝承臺模板，承臺混凝土澆筑、養護等。陸上鋼板樁打設完成后，向下開挖到設計的支撐位置后，進行圍堰內支撐作業，再繼續向下開挖至封底混凝土底，注意預留集水井，綁扎承臺鋼筋及安裝冷卻水管，安裝承臺模板，承臺混凝土澆筑、養護。

4.1.3墩身施工方案

墩身施工的施工工藝主要為：施工放樣和監測→墩身底部承臺面鑿毛→墩身鋼管支架搭設→墩身鋼筋加工和綁扎→墩身模板加工及安裝→墩身混凝土澆筑→養護及拆模。

4.1.4門式墩主要施工方案

根據地質情況和門式墩荷載情況，確定基礎采用Q235φ600×10鋼管樁基礎，樁長40m，為使樁能承受較大的錘擊應力，在管接口外側加焊1條寬200～300mm、厚6～12mm的加強箍，防止樁端變形損壞。支架采用φ600×10鋼管，鋼管每段標準段為6m，平面布置為橫、縱橋向3m，每根立柱上設2道I40b橫梁，橫梁上設置3組貝雷片作為縱梁，每組貝雷片由2排貝雷片組成。采用90cm花架連接。貝雷片上設置I20，間距為30cm。I20上面設置碗扣式滿堂支架，其外徑為48mm，壁厚3mm，支架間距為30cm×60cm，步高60cm。

4.2 主橋上部結構施工方案

4.2.1桁拱安裝方案

桿件運輸與安裝如圖7所示，1～3號節間采用跨墩門式起重機拼裝，其他節間采用拱上全回轉自行式架梁吊機拼裝。

圖7 桿件運輸與安裝示意

4.2.2鋼構件制作、預拼、存放

在廠家內完成鋼構件的加工、制作、預拼、涂裝，施工現場進行桿件的存放和補涂裝。

4.2.3安裝步驟

主橋上部結構的施工主要有11個步驟，其中安裝步驟1～10的詳細施工如圖8所示。各步驟為：①步驟1 邊跨在1，2，4號節點處設置3個臨時墩，跨墩門式起重機作業范圍為1～3號節間。②步驟2 2號節間利用跨墩門式起重機安裝，待2號節間安裝完畢后，在其上安裝架梁吊機。③步驟3 利用架梁吊機安裝3，4號節間。④步驟4 分為3部分，即架梁吊機從2號節間爬行至4號節間，安裝5號節間，利用跨墩門式起重機安裝1號節間，進行主橋端部鋼筋混凝土門式墩施工。⑤步驟5 分為3部分，即架梁吊機行至5號節間，安裝6號節間，架梁吊機行至6號節間，安裝主墩支座、位移，調整裝置及7號節間。⑥步驟6 橋面吊機安裝1～7號節間橋面板。⑦步驟7 分為3部分，即依次懸拼8～16號節間，9～16號節間安裝期間完成扣塔安裝，在16號節間安裝1號背索。⑧步驟8 依次懸拼17～20號節間，安裝2號背索。⑨步驟9 北岸安裝至第23號節間且南岸安裝至第22號節間后按擬定方案進行合龍。主要合龍措施為：升降邊支點，調整合龍口相對高差和轉角，利用溫度變化及頂拉千斤頂依次安裝合龍口下弦桿、斜桿、上弦桿和上下平聯，完成主拱合龍。⑩步驟10 安裝橋面縱、橫梁及中跨橋面板，橋面合龍前安裝柔性系桿并初步張拉。步驟11 橋面合龍，根據監控檢測數據調整柔性系桿索力，完成橋面系施工。

圖8 安裝步驟

5 有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/Civil對施工過程中的應力進行了建模分析。中跨16號節間施工時主拱肋最大拉應力云圖如圖9a所示，由圖可知，最大拉應力發生在跨中與墩臺二者之間的中部上側，最大拉應力為213.2MPa。吊桿及橋面系施工時主拱肋最大壓應力云圖如圖9b所示，由圖可知，最大壓應力發生在距離跨中第7根吊桿位置的下側，最大壓應力為238.5MPa。上述最大拉、壓應力位置應在施工中給予監測和重點關注。

圖9 主拱肋最大應力云圖

6 結語

本文以珠海橫琴二橋的結構設計為研究背景，結合實際工程的施工特點與技術難點，對中承式鋼桁架系桿拱橋的施工關鍵技術進行了深入分析，確保了工程的施工質量及安全，為同類中承式鋼桁架系桿拱橋工程設計與施工提供了參考。