下承式拱梁組合系桿拱橋施工期先拱后梁工藝轉(zhuǎn)換

王繼林 郝曙光 杜高明

（華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

一、工程概述

跨越規(guī)劃III級航道主橋為115m下承式拱梁組合系桿拱橋，橋梁設(shè)計活載：公路-Ⅱ級。橋面寬度布置0.5m（護欄）+11m（車行道）+0.5m（護欄）。系桿拱橋計算跨徑L=111m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1／5，矢高22.2m，采用2片啞鈴型鋼管混凝土拱肋。每個鋼管外徑1m，鋼管和腹腔鋼板壁厚均為14mm，內(nèi)充C50微膨脹混凝土。2片系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形斷面，系梁高2m，寬1.2m。吊桿間距為5.35m，每片拱肋設(shè)置吊桿19根。中橫梁高度為1.3cm～1.42cm，寬度0.75m。端橫梁采用箱形端面，高度1.8m～1.92m，寬度3m。橫梁間鋪設(shè)長度4.58m厚度0.35m的預(yù)制空心橋面板。主橋6#和7#橋墩墩身為柱式截面墩，墩上設(shè)GPZ17.5(2009)±150mm盆式支座(1個固定支座+3個滑動支座)，墩單側(cè)基礎(chǔ)用4根鉆孔灌注樁的群樁基礎(chǔ)，樁徑1.50m，承臺高2.50m，承臺平面尺寸6.25m×6.25m。下部基礎(chǔ)場地為里下河地貌平原，地勢平坦，地層分布較穩(wěn)定，無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害，無地震液化等地震效應(yīng)。場地地基土以成層分布的黏性土、粉土為主。

原設(shè)計采用常規(guī)的少支架先梁后拱工藝安裝。先搭設(shè)拱腳支架，現(xiàn)場澆筑拱腳、端橫梁。為盡量減少對航道交通影響，系梁（單片分3段）、中橫梁、橋面板、鋼管拱肋主要構(gòu)件均在岸側(cè)預(yù)制和焊接后安裝。施工圖設(shè)計于2018年2月完成。2019年9月施工期間，航道少支架時短期內(nèi)出現(xiàn)兩次航道內(nèi)支架夜間被船撞擊事故。為此建設(shè)單位要求對施工方案進行變更，減少施工與航道通行矛盾，要求必須利用已經(jīng)預(yù)制的系梁、中橫梁，為此開展了先拱后梁無支架架設(shè)方案的調(diào)研工作。

二、先拱后梁工藝調(diào)研

對國內(nèi)下承式系桿拱先拱后梁架設(shè)方法進行相關(guān)調(diào)研。下承式系桿拱成橋多是設(shè)置支座的外部靜定無推力結(jié)構(gòu)，但是施工過程中因施工工藝不同會承受一定推力。根據(jù)先拱后梁架設(shè)工藝調(diào)研，當(dāng)前主要有以下幾類形式。

漂浮式剛架系桿拱。下承式剛架系桿拱為無支座超靜定結(jié)構(gòu)，橋梁拱肋、橋墩和基礎(chǔ)為永久剛性固結(jié)，橫梁上設(shè)置柔性系桿，系桿與拱腳鉸接，如江蘇錫宜高速公路跨京杭運河系桿拱橋。橋梁運營和施工期間，橋墩和基礎(chǔ)承受較大水平推力，一般基礎(chǔ)和橋墩剛度較大，樁基數(shù)量也較多。

拱梁組合體系+現(xiàn)澆整體式箱梁。設(shè)置支座的下承式拱梁組合體系，拱肋采用內(nèi)灌混凝土鋼管拱，箱梁為整體式現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，如京滬高速鐵路跨青陽港和錫澄運河系桿拱等先拱后梁施工。該類工藝設(shè)計是需要設(shè)置剛度較大橋墩及群樁基礎(chǔ)。施工中將拱腳與橋墩固結(jié)，利用水平系桿平衡后期主要水平恒載推力，利用橋墩強大抗推能力輔助平衡系桿與拱腳推力差。施工完成后解除拱腳與橋墩固結(jié)，實現(xiàn)拱腳自由滑移。

拱梁組合體系+縱橫梁拼裝。平原區(qū)公路、市政橋梁下承式系桿拱橋常采用鋼管混凝土拱肋+縱梁+橫梁拼裝的拱梁組合結(jié)構(gòu)，以便快速立交跨越公路和水運基礎(chǔ)設(shè)施。拱腳設(shè)置盆式支座，外部為靜定結(jié)構(gòu)。如嘉金高速公路吳淞江大橋85m主橋跨越吳淞江時采用下承式鋼管混凝土系桿拱梁組合橋系桿拱橋。該類橋型施工中一般不固結(jié)拱腳與橋墩，在橋墩設(shè)置限位塊限制滑移，施工中系桿與拱肋水平力平衡。但空鋼管安裝階段拱肋水平位移較大，一般會安裝鋼管拱臨時固結(jié)拱腳和橋墩，橋墩承擔(dān)空鋼管水平推力，如主跨103m溫州龍港系桿拱。先拱后梁工藝設(shè)計時橋墩和基礎(chǔ)水平剛度需根據(jù)施工工藝進行專項設(shè)計，既滿足橋墩施工中一定水平力承載要求，又避免過度增加橋墩造價。

三、先拱后梁變更方案設(shè)計

本文提供兩種架設(shè)方案比選，即方案一鋼拱架直接安裝法和方案二增設(shè)拱肋支架法。如橋墩水平承載力儲備不足，按照方案二“不固結(jié)不擾動拱腳”原則合攏拱肋，即增設(shè)拱肋支架抵抗鋼拱架架設(shè)時的臨時推力，對接焊接后張拉體外索消除拱肋支架推力，拆除拱肋支架，再進行其余階段施工。

（一）鋼拱架直接安裝法

對該橋下部結(jié)構(gòu)抗推剛度和承載力評估表明：空鋼管拱肋安裝時，橋墩水平承載能力基本可滿足推力需求。空鋼管拱肋安裝階段理論上可臨時固結(jié)拱腳和橋墩，通過無應(yīng)力控制（不安裝臨時拉索）確保鋼拱架與拱腳鋼管合攏焊接。在橋墩和拱腳臨時固結(jié)后直接安裝鋼拱架，通過張拉體外索卸載橋墩水平力，釋放后拆除拱墩臨時固結(jié)。鋼拱架安裝后，通過體外索不斷張拉調(diào)整拱腳位移，完成系梁、橫梁、橋面板安裝。以拱腳滑移最小化為原則，施工過程中拱腳滑移范圍控制在±50mm內(nèi)，設(shè)置相應(yīng)限位塊，調(diào)整各階段張拉索力。主要施工步驟如圖1所示。

圖1 方案一主要施工階段工藝圖

按46個施工階段模擬計算分析，拱肋安裝階段拱墩固結(jié)，其余階段拱墩按自由滑移模擬。施工過程中拱腳滑移小于±50mm限位，未接觸橋墩限位塊。短暫狀態(tài)下主要構(gòu)件混凝土最大主拉應(yīng)力約3.0MPa，抗裂性基本滿足要求，局部應(yīng)力集中區(qū)域現(xiàn)場黏鋼防護，如圖2所示。

圖2 方案一滑移與局部應(yīng)力分析數(shù)據(jù)

（二）增設(shè)拱肋支架法

由于原設(shè)計未考慮先拱后梁工藝，橋墩水平剛度較弱，保守采用“不固結(jié)不擾動拱腳”原則合攏焊接拱肋，施工中不固結(jié)橋墩、拱腳。在拱腳河側(cè)增設(shè)拱肋支架，臨時承擔(dān)鋼拱架的水平推力。鋼拱架安裝拱肋上層臨時索，調(diào)整拱肋線形與拱腳鋼管對拼焊接。拱肋焊接后調(diào)整體外索索力，拆除拱肋支架。為減小施工中拱腳位移，對各階段增加荷載和張拉參數(shù)進行細化，設(shè)置限位擋塊，將最大滑移控制在±50mm內(nèi)。

分35個施工階段計算模擬分析，拱腳與橋墩自由滑移模擬如圖3所示。上述施工過程中拱腳滑移小于50mm限位，未接觸橋墩限位塊。短暫狀態(tài)下主要構(gòu)件混凝土最大主拉應(yīng)力2.6MPa，抗裂性基本滿足要求。

圖3 方案二施工部分階段工藝圖

（三）方案比選

該項目橋墩設(shè)計未預(yù)先考慮先拱后梁預(yù)設(shè)工況水平力，此次先拱后梁方案變更主要難度在于如何解決施工過程中的水平力平衡問題。方案一適用于橋墩能夠承載空鋼拱架水平力情況，安裝鋼拱架前將拱腳與橋墩臨時固結(jié)，通過精確下料和吊裝將鋼拱架與拱腳拱肋順接，拱肋合攏后張拉體外索，解除拱腳與橋墩臨時固結(jié)，然后進行其余工序。方案二適用于橋墩不能夠承載空鋼拱架水平力情況，主要依靠設(shè)置臨時拉索和臨時拱肋支架，實現(xiàn)“不固結(jié)不擾動拱腳”原則合攏焊接拱肋，拱肋合攏過程中，對拱腳不產(chǎn)生推力，也對橋墩不產(chǎn)生推力，可以實時調(diào)整拱架線形與拱腳拱肋順接，適用性較強。但由于需要設(shè)置臨時拉索和臨時拱肋支架，施工較復(fù)雜。拱肋合攏，張拉體外索，卸除臨時拱肋支架后工序基本同方案一。

方案一取消拱肋支架和臨時拉索輔助措施，施工簡單，但對施工控制要求嚴格。該橋空鋼管拱肋安裝施工工況下單側(cè)空鋼管水平計算推力60t，相應(yīng)主墩水平計算承載能力65t，精細施工時可采用方案一對拱腳和橋墩臨時固結(jié)，直接安裝鋼拱架。由于該橋評估橋墩可以承擔(dān)鋼拱架水平力，變更時鋼拱架可以根據(jù)理論計算精準(zhǔn)下料。

四、結(jié)語

根據(jù)該項目系桿拱橋建設(shè)實際情況,本文提出了兩種先拱后梁架設(shè)方案，具體采用哪種方案主要取決于橋墩水平承載力富余情況。橋墩水平承載力可靠時，可采用拱墩臨時固結(jié)直接安裝空鋼拱架。橋墩水平承載力不足時，可采用“不固結(jié)不擾動拱腳”原則增設(shè)拱肋支架等安裝鋼拱架。

該橋先拱后梁施工中拱腳處于自由滑移狀態(tài)，該體系可以協(xié)調(diào)拱腳和系桿適應(yīng)外部變化，不會增加對橋墩水平過大負載，對橋墩水平承載要求較低。目前，隨著施工管理技術(shù)提升，已有條件通過現(xiàn)場適時整體張拉靈活控制拱腳滑移變化，保障方案設(shè)計的拱和墩不接觸的理念，但需要根據(jù)張拉力實時評估結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。