無支架施工系桿拱橋在泰東河大橋中的應用

姜海波

（江蘇金堰交通工程有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

豎向荷載下產生水平力是拱橋最主要的特征。初期拱橋設計均依靠基礎直接抵抗水平力，而在軟土地基處采用該方式十分不經濟，因此大跨徑拱橋在南方應用較少[1]。隨著系桿拱橋的提出，拱橋水平力通過專用的水平系桿來平衡，基礎不再承擔水平力。在軟土地基采用拱橋極具競爭力，因此拱橋成了大跨度橋梁中最常用的一種橋梁形式。

系桿拱施工方法分為先梁后拱和先拱后梁兩大類[2]。最常用的施工方法為先梁后拱支架法，即先在支架上完成橋面系的施工，再在橋面上搭設支架進行拱肋的施工[3]。即使在有通航要求時，如航道等級不高時，也可將滿堂支架改為少支架，在河道中預留較窄的臨時通航孔。當橋下航道為高等級航道時，航運繁忙，長時間的壓縮航道給航運帶來較大影響，同時船撞支架的風險較高。為減少對航道的影響，降低施工風險，系桿拱無支架施工技術應運而生。

系桿拱無支架施工是一種先拱后梁的施工方法。通過先架設的拱肋作為施工橋面系時的支撐，同時通過設計的永久拉索或增設的臨時體外索平衡施工期間的拱腳水平推力，從而實現橋下不搭設支架的目的[4]。而在拱肋的安裝時為實現施工全過程的無支架，需采取拱肋整體吊裝的方式[5]。

1 工程概況

泰州市姜堰區X304（淤溪段）泰東河大橋工程起于華莊公路與S231 交叉處，向東上跨泰東河，終點接淤溪鎮東南環交叉處。橋梁全長461.44 m，上部結構主橋為下承式鋼管混凝土系桿拱結構，引橋為先張法預應力混凝土空心板梁，下部結構均為柱式墩。泰東河是《江蘇省干線航道網規劃》中規劃的三級航道，規劃通航凈空為70 m×7 m 矩形斷面。泰東河大橋主橋采用115 m 的鋼管混凝土系桿拱橋一孔跨越航道水域。泰東河大橋總體布置如1 所示。

圖1 泰東河大橋總體布置圖（單位：cm）

主橋為預應力鋼管混凝土系桿拱結構，采用剛性系梁剛性拱，計算跨徑L=111.0 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5，矢高22.2 m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，每個鋼管外徑100 cm，鋼管及腹板壁厚1.4 cm，內充C50 微膨脹混凝土，沿拱軸線每隔0.5 m腹腔截面設置1 道Ф24 mm 的拉桿。系梁采用箱形斷面，系梁高為200 cm，寬為120 cm，頂板厚30 cm，底板厚30 cm，系梁構造見圖2 所示。吊桿間距為5.35 m，每片拱肋設吊桿19 根，吊桿采用LZM7-61成品索。中橫梁高度為1.30～1.42 m，寬0.75 m（不包括牛腿）。端橫梁采用箱型斷面，高1.80 m～1.92 m，寬3.0 m。橋面2.0%橫坡通過橫梁高度的變化進行調整。風撐采用4 道K 型和3 道一字撐，由外徑100 cm和70 cm 鋼管焊接而成。

圖2 系梁標準節段構造圖（單位：mm）

橋面系為系梁與橫梁組成的縱橫梁體系，系梁采用分段預制吊裝，每片系梁分為A～I 九個節段，標準節段長度為9.9 m，最大節段長度為15.25 m，系梁節段之間、系梁節段與拱腳之間均通過濕接縫連接形成整體。中橫梁采用整體預制，通過濕接縫與系梁連接形成整體。預制橋面板簡支支撐于橫梁上方，不參與結構整體受力。

2 泰東河大橋施工方法的比選

泰東河大橋跨越規劃的三級航道，設計院提供的施工圖推薦采用先梁后拱的少支架法。針對該橋橋下通航要求高的特點，正式施工時提出了無支架施工方法，并對施工方法進行了深入的比選。

2.1 先梁后拱的少支架施工

先梁后拱的施工工藝是應用較多的方法，因其具有施工難度小，施工控制簡單，對于橋下通航要求不高或無通航要求時是一種十分經濟的方案。該橋原設計采用的少支架施工方案如圖3 所示。

圖3 少支架施工示意圖

先梁后拱施工流程主要包括八個主要步驟：

（1）下部結構施工及臨時支架搭設，并對支架進行預壓。

（2）在支架上對稱分段澆筑系梁和拱腳端橫梁，同步預制中橫梁。

（3）安裝中橫梁并張拉中橫梁預應力，之后張拉部分系梁預應力。

（4）搭設橋面支架并分段吊裝拱肋，焊接完成后從下而上對稱泵送鋼管混凝土。

（5）安裝吊桿并按規定的張拉順序進行吊桿張拉。

（6）拆除支架，安裝橋面系并張拉剩余鋼束。

（7）護欄、鋪裝等附屬設置施工。

（8）吊桿索力調整至設計的成橋索力。

大跨徑拱橋施工周期長，該方案的缺點是長時間壓縮航道，原設計方案預留30 m 寬度的臨時航道，該橋位處航運繁忙，施工期間船撞風險高。

2.2 先拱后梁的無支架施工

基于少支架施工的缺點，提出了無支架施工方案。該方案的優點是施工期間航道內不設置臨時支架，僅拱肋和系梁吊裝期間臨時封航，對現狀航道影響小，實踐證明效果是較好的。

泰東河大橋無支架施工方法主要包括六個大步驟：（1）下部結構及拱腳施工；（2）鋼管拱肋整體吊裝（見圖4）；（3）臨時索安裝（見圖5）；（4）灌注拱肋混凝土（；（5）預制系梁安裝（見圖6）；（6）橋面系施工。

圖4 鋼管拱肋整體吊裝之圖示

圖5 臨時索安裝之圖示

圖6 預制系梁安裝之圖示

每個大的施工步驟又細分成多個工序，并配合臨時體外束的張拉，采用有限元計算分析的全過程施工步驟如表1 所列。

表1 無支架施工仿真分析全過程一覽表

先拱后梁的無支架施工方法步驟多，施工控制難度大，施工期間臨時索隨著施工步驟的進行要不斷調整，以保證結構各構件的線形及受力滿足要求。

2.3 施工方法比選

通過上述介紹，兩種施工方法技術上都是可行的，都有各自的優缺點。為了科學決策，對兩種施工方法進行綜合比選（見表2）。

表2 系桿拱橋施工方案比選一覽表

通過上述綜合比選，采用無支架施工方案雖然技術難度更大，但針對泰東河高等級航道的特殊性，無支架施工能最大限度地降低對橋下通航的影響，且對環境影響最小，通過專業的施工監控及精細化的施工管理，能保證橋梁的施工安全性。因此，大橋最終采用了該方案。

3 無支架施工方法技術難點

3.1 無支架施工原理

拱橋受力特征是在豎向荷載的作用下，拱腳位置不僅產生豎向力，還將有較大的水平推力，拱腳位置有推力作用是拱橋的主要受力特性之一。為了使拱正常工作，就必須確保拱的推力體系。

無支架施工是一種先拱后梁的施工方法。在施工過程中，通過拱肋承受拱肋自身以及橋面系的自重，隨著施工的進行，荷載不斷增加，拱腳水平推力同步增加。然而，在施工過程中系梁并未完成，需通過增設臨時體外束平衡施工期間的拱腳水平推力。

3.2 技術難點

系桿拱橋無支架施工方法施工工序多，技術難度大，通過現場施工，總結如下幾點關鍵技術。

3.2.1 拱肋整體吊裝

拱肋整體吊裝的重量為260 t，在一側岸邊拼裝成整體后，通過浮船運至橋位，采用兩臺浮吊抬吊完成就位。該施工過程主要是控制拱腳位移，保證吊裝就位時能正確安放于兩端拱座上。該項目采取了臨時拉索及兜吊系統的控制手段。

3.2.2 臨時索平衡設計

臨時索的作用是平衡施工過程中的拱腳水平力。在施工過程中豎向荷載不斷增加，拱腳水平力相應增大，臨時索并不能連續動態地進行張拉調整。因此，如何通過有限次的臨時索張拉，實現全過程的結構受力以滿足要求，是臨時索平衡設計的關鍵。該項目設置了8 次臨時索張拉，詳見表1 所列。通過橫向錯開布置，避免系梁安裝與臨時索位置沖突，臨時索布置如圖7 所示。

圖7 臨時索布置示意圖

3.2.3 位移控制

位移控制是無支架施工方法的關鍵，拱腳的位移時刻發生變化，且受下部橋墩的抗推剛度影響，位移控制難度大。該項目通過建立橋梁上、下部整體模型，考慮樁土作用，進行全施工過程的仿真模擬，精確計算各工序作用下的位移。

4 結語

本文介紹了系桿拱橋無支架施工方法在泰州泰東河大橋中的使用情況，針對系桿拱橋常用的兩種施工方法，詳細分析了各自的優缺點，并就如何選擇做了簡單的探討。先梁后拱支架法技術難度小，在通航要求不高或地勢平坦的情況下可優先選用；在跨越深谷或橋下通航要求高時則應該選用先拱后梁的無支架施工方法。