提籃拱橋施工中的立柱與拱圈變形控制關鍵技術

張曉紅

（邢臺市信都區地方道路管理站，河北 邢臺 054001）

某上承式鋼管混凝土拱橋所處施工環境惡劣，橋梁橋面距離下方河面達260余米，設計橋孔中央為跨度240m的鋼管拱，兩側為單跨長32.7米的簡支箱梁，大小里程側分別有4跨和3跨簡支梁。橋梁左右線路間隔約4.6m。

一、頂推方案優化比選

該項目橋梁跨越深谷，傳統的滿堂支架法無法搭設。在此情況下，比較適用的施工工藝主要為頂推法。對于上承式鋼管混凝土提籃拱橋主橋施工，在應用頂推法時，傳統上往往采取鋼導梁單獨配置的措施，導致后續拆除導梁或臨時墩拆除時需要在高空處操作，施工過程費時費力，且工況比較危險[1]。因此，考慮到橋面距離河面較高，為保證施工安全，避免高空作業風險，同時使后續拆除量減少，項目的導梁與臨時墩均不單獨設置。

鑒于該項目大橋的梁體結構非常龐大，因此適用的頂推技術為拖拉法頂推技術。另外，橋梁箱梁質量很大，故考慮將頂推法中的卷揚機替換為千斤頂，保證頂推效果與運行精度。

二、立柱位移與拱圈變形控制關鍵技術

該項目混凝土鋼管拱橋上布置的橋墩立柱總數為11個，立柱編號分別為1號至11號，大橋設計結構立面情況如圖1所示。

圖1 大橋結構設計立面布置

在圖1所示橋墩立柱中，1號高度為40m，2號高度為24m，3號高度為13m，4號高度為6m，5號至7號立柱則與蓋梁采用一體化設計處理；8號至11號立柱與1號至4號立柱對應分布，故兩者立柱高度一一對應等同。該項目橋墩立柱分布于鋼拱圈上，距離橋面距離較遠，高度較高，因此在抗水平側力方面較為薄弱。為此，特將高度偏高的立柱，通過鋼絞線連接于其他位置的橋墩，再施加一定的預張拉力。需要說明的是，施加的預張拉力不得大于立柱所能承受的水平側力值。例如，將1號、2號主墩立柱通過鋼絞線連接串聯于3號主墩，再施加預張拉，或將9號至11號主墩立柱通過鋼絞線連接串聯于8號主墩，再施加預張拉等。

在拖拉法頂推施工過程中，為有效削弱頂推施工導致的鋼拱圈偏壓效應，在鋼箱梁還未被拖拉至鋼拱圈上的橋墩立柱前，先行對偶數編號的橋墩立柱進行鋼絞線預張拉，從而有效地控制鋼管拱圈所受的偏壓效應[2]。

該項目采用Midas/Civil有限元分析軟件，為鋼管拱上的橋墩立柱與交界墩等建模，并模擬鋼絞線預加拉力。

（一）橋墩立柱的有限元分析

在頂推箱梁重力、橋墩立柱自重及最大水平方向頂推力的綜合作用下，大橋鋼管拱上相應編號的橋墩立柱的水平位移與應力分布狀況，如圖2所示。其中，最大水平頂推力是指250t重的鋼箱梁在處于最大懸臂姿態時的頂推力。

由圖2（a）知，1號至3號橋墩立柱的墩頂位移分別為21mm、15mm、5mm，均小于22mm，滿足標準規定。因此，采取將鋼絞線連接于1號、2號立柱與3號交界墩間且開展張拉措施，能使鋼管拱上方的橋墩立柱抗水平變形能力增強，保證拱圈上柔性墩的水平變形有效減小。

圖2 箱梁頂推最大懸臂狀態下橋墩立柱的水平位移及應力分布

由圖2（b）知，1號至3號橋墩立柱受拉區域的應力大小分別為-2MPa、-0.15MPa、+0.6MPa，受壓區域的應力大小分別為-2.2MPa、-3.2MPa、-2.8MPa。其中，3號立柱的底部出現拉應力最大值，達0.59MPa，而C40混凝土的極限抗拉力值為1.72MPa，表明拱圈上方的橋墩立柱混凝土拉應力在允許范圍內。

由圖2（c）知，9號至11號橋墩立柱的墩頂位移分別為5.2mm、15.5mm、13.5mm，均小于22mm，滿足標準規定，說明頂推控制技術克服了柔性高墩抗水平側力能力差的問題，規避了橋墩立柱被拉裂破壞的風險。

由圖2（d）知，9號至11號橋墩立柱受拉區域的應力大小分別為+1MPa、+0.6MPa、-1.4MPa，受壓區域的應力大小分別為-3.2MPa、-3.6MPa、-2.8MPa。其中，9號立柱的底部出現拉應力最大值，達1MPa，同樣小于C40混凝土的極限抗拉力值1.72MPa，表明拱圈上方的橋墩立柱混凝土拉應力在允許范圍內，立柱混凝土沒有遭受破壞。

（二）拱圈的有限元分析

為控制偏壓現象，擬在鋼箱梁還未被拖拉至鋼拱圈上的橋墩立柱前，先行對偶數編號的橋墩立柱進行鋼絞線預張拉，從而限制拱圈的豎向位移。在2、4、8、10號立柱墩底及3、4號交界墩底部，分別埋設固定預埋件，采取鋼絞線對相應橋墩立柱及主墩底部錨座實現串聯，并將150t的預拉力施加于柱底。

在鋼管拱圈與立柱自重及主梁的受壓力作用下，3號交界墩側的鋼管拱受壓后，在偏壓效應作用下，整個鋼管拱圈發生的偏壓變形在預張拉前、后，分別如圖3（a）、（b）所示。

圖3 偏壓鋼管拱圈在預應力張拉前后的變形情況

由圖3（a）知，鋼管拱圈未進行預張拉時，偏壓下的8號至11號橋墩立柱豎向變形分別為11.9mm、7.9mm、7.01mm、2.9mm，1號至4號橋墩立柱豎向變形分別為12.01mm、4.2mm、16.01mm、21.01mm。由此可得，編號較小側的立柱豎向位移整體要小于編號較大側的立柱豎向位移，這將引起拱圈兩側的不對稱變形。在鋼管拱圈進行預張拉后，由圖3（b）可知，偏壓下的8號至11號橋墩立柱豎向變形分別為16mm、12.1mm、9.7mm、3.4mm，1號至4號橋墩立柱豎向變形分別為3mm、8.5mm、12mm、16mm。由此可得，鋼管拱圈兩側的豎向位移值基本相同，偏壓效應引起的負面作用得到了控制，說明鋼管拱圈不會發生不對稱變形，保證了整體線形。

三、施工監控分析

在拖拉法頂推施工過程中，需要實時監控鋼管拱圈的豎向變形、拱圈上方橋墩立柱的底部應力及墩頂的水平位移值等，以此保證鋼箱梁頂推施工時，鋼管拱圈、橋墩立柱的應力應變情況滿足標準規定。結果表明，相關數據均在允許范圍內，驗證采取的技術措施是有效的。

四、結語

本文依托國內某高鐵上承式鋼管混凝土拱橋施工實踐，針對其拱圈上部橋墩立柱高度較高的特點，依次采取了偶數編號橋墩立柱底部串聯鋼絞線并預加拉力，以及在鋼管拱圈上對稱斜拉鋼絞線的技術措施，有效地控制橋墩立柱的水平變形與拱圈的不對稱變形狀況，從而高效完成了大橋建設。