鋼-混凝土結合桁架拱橋施工控制技術

尹光順 彭旭民

1.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢 430034；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034

1 工程概況

成貴（成都—貴陽）鐵路鴨池河特大橋主橋為中承式拱橋［1］，拱肋采用鋼-混凝土結合桁架拱結構，跨徑為436 m，矢高115 m，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為3.5［2］。全橋有兩片拱肋，提籃布置，兩片拱肋在拱頂處中心距為15.0 m，在拱腳處中心距為33.6 m。拱肋腹桿采用箱形或H形截面，形成空腹式N形桁架拱。拱肋上下弦桿（H形截面）A0E1—A8E9節(jié)間全包混凝土，除拱肋下弦桿（箱形截面）E20—E28節(jié)間不包混凝土外，其余部位上下弦桿（箱形截面）均半包混凝土。拱肋在拱腳處與拱座固結，拱肋鋼桁架材質(zhì)為Q370qE。拱肋混凝土為C60高性能混凝土，拱上立柱采用雙柱式框架結構。

主梁為單箱三室預應力混凝土箱梁，全長336 m。主梁支撐于兩側拱上立柱和拱肋支撐橫梁處，形成（32+272+32）m的三跨連續(xù)梁結構。兩岸引橋分別設一座（32.7+2×61.75）m的三跨連續(xù)剛構橋，與主橋主梁形成連續(xù)橋面。

吊桿采用φ7鍍鋅平行鋼絲，標準強度1 670 MPa。吊桿順橋向按8 m間距布置，橫橋向與拱肋傾角一致，每一處吊點橫向布置2根吊桿，全橋共布置108根吊桿。特大橋總體布置見圖1。

圖1 鴨池河特大橋總體布置（單位：cm）

2 總體施工方案

成貴鐵路鴨池河大橋施工分為拱肋鋼桁架拼裝、拱肋混凝土澆筑和主梁大節(jié)段澆筑三個施工階段。拱肋、主梁成型過程復雜，控制難度大。

拱肋鋼桁架拼裝。采用纜索吊機整節(jié)段吊裝、斜拉扣掛法［3-4］輔助懸臂拼裝。拱肋桿件工廠制造，散運到橋位處預拼場。場內(nèi)每兩個節(jié)間先組拼成一個吊裝節(jié)段，再利用纜索吊機吊裝到指定位置，對位、調(diào)整、固定、焊接、松鉤，安裝拱肋橫向連接系，最后掛設并張拉扣錨索。依次循環(huán)施工，直至拱肋鋼桁架合龍。

拱肋混凝土澆筑。對于拱腳全包混凝土段，起拱段采用支架現(xiàn)澆，剩余全包混凝土段采用吊掛模板法現(xiàn)澆；對于拱肋半包混凝土段，以弦桿兩側腹板和弦桿間鋼底板為模板，從拱腳往拱頂分段依次澆筑，形成鋼-混凝土結合桁架拱肋。依次拆除斜拉扣掛體系，僅保留4對扣錨索，待主梁合龍完成后再拆除。

主梁大節(jié)段澆筑。對于拱外邊跨34 m梁段，以拱上立柱及支撐橫梁作為支點，在拱肋上搭設滿堂支架進行整體澆筑；對于拱內(nèi)中跨無吊桿區(qū)32 m梁段，以拱肋上緣為支點，搭設剛性吊架支承體系進行整體澆筑；對于拱內(nèi)中跨吊桿區(qū)204 m梁段［2×（5×16+20）m現(xiàn)澆段+4 m合龍段］，采用多點彈性支承整體吊架體系分節(jié)段對稱澆筑。待主梁合龍后，拆除主梁整體吊架體系，并適時張拉調(diào)整吊桿索力，施工二期恒載。

3 施工控制關鍵技術

3.1 拱肋鋼桁架拼裝線形控制技術

3.1.1 預拼場內(nèi)胎架上拱肋鋼桁架節(jié)段組拼

鋼桁架桿件在橋位處預拼場胎架上進行拼裝，一次組拼4個拱肋鋼桁架節(jié)間，兩兩節(jié)間（第1節(jié)與第2節(jié)間，第3節(jié)與第4節(jié)間）焊接成型，組成兩個節(jié)段，分別進行吊裝和懸臂拼裝。胎架上4個節(jié)間拼裝線形采用相鄰兩個節(jié)間弦桿的夾角β與制造時線形保持一致的原則進行控制，見圖2。

圖2 拼裝控制示意

視線高度H3的理論計算公式為

式中：H1~H3分別為各控制點在同一測站下的水準儀視線高度；L1為已拼節(jié)間弦桿控制點1到控制點2的距離，L2、L3為兩個節(jié)間弦桿的交點到控制點1、控制點3的距離。

拼裝過程中，首先測量各控制點，得到H1、H2和H3實測值，然后將H1、H2實測值和計算所得的L1、L2、L3、β代入式（1）中，得到H3計算值，再將H3實測值與計算值進行對比，若超過容許偏差（±5 mm）則需調(diào)整，直至偏差滿足要求。按此方法，依次確定相鄰兩根弦桿的相對位置，最終確定該批次拱肋鋼桁架節(jié)段在胎架上的拼裝線形。

采用該方法能快速確定各弦桿的空間相對位置，但容易放大誤差。因此，組拼完成后須在統(tǒng)一坐標系內(nèi)測量各弦桿關鍵控制點坐標，以確保成型的桁架結構各弦桿空間相對位置與設計保持一致。

3.1.2 橋位處拱肋鋼桁架節(jié)段懸臂拼裝

橋位處兩個拱肋節(jié)間焊接成一個吊裝節(jié)段，采用纜索吊機吊裝到位，與已拼拱肋節(jié)段懸臂前端對位拼接。待拼拱肋節(jié)段空間位置的確定受已拼拱肋節(jié)段空間姿態(tài)的影響，采用絕對坐標法進行控制。方法如下：

1）計算待拼拱肋節(jié)段沿已拼拱肋節(jié)段切線拼裝時產(chǎn)生的虛擬位移δvi，即

式中：δci為第i節(jié)段架設完成松鉤后累計位移；Δδi為第i節(jié)段在自重作用下的位移增量。

2）確定待拼拱肋節(jié)段的定位坐標（xLi、yLi、zLi），即式中：xmi、ymi、zmi分別為第i節(jié)段制造坐標；xδvi、yδvi、zδvi分別為δvi在坐標軸x、y和z方向上的分量。

采用絕對坐標法對拱肋節(jié)段進行定位控制，待拼拱肋節(jié)段狀態(tài)明確，有利于總體把控，避免誤差累積。需要注意：①不同工序?qū)袄叩牟煌€形狀態(tài)，因此確定待拼拱肋節(jié)段定位坐標時虛擬位移δvi須與現(xiàn)場實際施工步驟一致。對于一個懸臂拼裝的拱肋節(jié)段，存在先吊裝定位上游拱肋還是先吊裝定位下游拱肋的問題，因此須區(qū)分兩種狀態(tài)下的δvi。②須避免日照產(chǎn)生的拱肋不均勻溫度場的影響，實測值與計算值的偏差宜控制在±20 mm以內(nèi)。

3.2 拱肋混凝土澆筑控制技術

拱肋混凝土施工涉及到拱肋鋼桁架與拱肋混凝土的受力分配問題，且受施工工序的影響。從拱腳開始至拱頂?shù)?個節(jié)間（A0E1?A8E9）的鋼桁架弦桿均為H形截面。拱肋鋼桁架懸臂拼裝階段，拱腳段鋼桁架整體剛度偏弱，隨著懸臂的伸長拱腳段鋼桁架受力越來越大，趨于不利狀態(tài)。因此，須擇機澆筑拱腳混凝土形成固結拱腳的鋼-混凝土結合桁架拱肋結構，但由此會帶來拱腳混凝土受拉開裂問題。

根據(jù)拱肋懸臂狀態(tài)和合龍后兩種力學模型的受力特性［5］，參考既有研究和施工經(jīng)驗［6-8］，對拱肋混凝土澆筑工序進行優(yōu)化。優(yōu)化前是待拱肋鋼桁架合龍后由拱腳往拱頂分段依次澆筑。優(yōu)化后工序為：①拱肋鋼桁架首節(jié)段拼裝到位后，及時支架現(xiàn)澆拱腳混凝土，固結拱腳；②拱肋鋼桁架懸拼至A7節(jié)點后，第2次澆筑拱腳混凝土，混凝土全包至A2E3截面，以減小拱肋H形截面鋼桁架的懸臂長度，確保鋼桁架受力安全；③拱肋鋼桁架合龍后，澆筑后續(xù)拱肋混凝土的過程中擇機二次張拉1#—4#扣錨索（第一次張拉扣錨索在拱肋鋼桁架拼裝階段），增大其索力，以抵抗后續(xù)澆筑拱肋混凝土對拱腳截面受力的不利影響；④拱肋混凝土澆筑過程中擇機在3/8跨附近壓載，限制拱腳截面混凝土產(chǎn)生過大的拉應力；⑤鋼-混凝土結合桁架拱肋成型后，保留部分扣錨索，直至主梁合龍后再拆除，以抵抗主梁分節(jié)段澆筑對拱腳截面受力的不利影響。

通過以上措施，使得拱腳截面混凝土應力得到有效控制。這里僅列出拱肋混凝土澆筑工序優(yōu)化前后及實測拱腳截面混凝土應力變化情況，見圖3。可知，拱腳截面混凝土施工過程中最大理論壓應力優(yōu)化前為-12.2 MPa，優(yōu)化后為-12.5 MPa，實測值為-14.7 MPa，出現(xiàn)在E13—E17節(jié)間拱肋混凝土澆筑階段拱腳截面底緣；最大理論拉應力優(yōu)化前為5.5 MPa，優(yōu)化后為3.4 MPa，實測值為3.9 MPa，出現(xiàn)在A7—A9節(jié)間拱肋混凝土澆筑階段拱腳截面頂緣。按偏心受壓結構驗算拱腳截面頂緣裂縫寬度為0.14 mm，小于限值0.20 mm，滿足規(guī)范要求。

圖3 拱腳截面混凝土應力變化情況

3.3 中跨吊桿區(qū)主梁分節(jié)段澆筑控制技術

中跨吊桿區(qū)主梁采用多點彈性支承整體吊架體系［9］（圖4）分節(jié)段澆筑。通過對中跨吊桿區(qū)主梁進行一次總體預拱度［10］設置，實現(xiàn)主梁線形控制；對吊桿索力分兩階段張拉控制。整體吊架體系成型后對吊桿進行一次初張拉，使得整體吊架的線形符合主梁預拱度線形。主梁分節(jié)段澆筑過程中不再張拉吊桿，待主梁合龍完成后再對全橋吊桿索力進行整體調(diào)整，最終使主梁線形和吊桿內(nèi)力同時達到預期目標。

圖4 主梁整體吊架體系布置（單位：cm）

主梁預拱度設置主要考慮的因素有：①吊架體系自搭設成型至主梁合龍后，其承受荷載作用產(chǎn)生的累計變形；②各吊桿處橫梁沿橫橋向的變形；③整體吊架體系的非彈性變形；④主梁合龍后至成橋，吊桿索力調(diào)整、預應力張拉、施工二期恒載、混凝土收縮徐變等所產(chǎn)生的變形；⑤吊架體系構造。

4 主要控制成果

成橋后拱肋、主梁頂面高程實測值與理論值的偏差見圖5。可見，拱肋、主梁頂面高程實測值與理論值的偏差總體上在50 mm以內(nèi)，滿足偏差小于L/3 000（L為跨徑，拱肋跨徑436 m，主梁跨徑272 m）且不超過50 mm的預期要求，但主梁各測點偏差波動較大。這是因主梁梁面混凝土掃面不均所致。

圖5 成橋后拱肋、主梁頂面高程實測值與理論值的偏差

成橋后吊桿索力實測值與理論值的偏差見圖6。可見，各吊桿索力實測值與理論值的偏差總體上在5%以內(nèi)，小于10%的規(guī)范限值。

圖6 成橋后吊桿索力

5 結論

1）成貴鐵路鴨池河特大橋為中承式拱橋，采用纜索吊機分節(jié)段吊裝拱肋鋼桁架、斜拉扣掛法輔助懸臂拼裝，拱肋鋼桁架合龍后再依次澆筑拱肋混凝土，最終形成鋼-混凝土結合桁架拱肋。拱肋鋼桁架施工過程中重點控制鋼桁架節(jié)段胎架上組拼、橋位處節(jié)段懸臂拼裝時的線形；優(yōu)化了拱肋混凝土澆筑工序，并對拱腳截面混凝土的應力狀態(tài)進行監(jiān)測，確保成橋后拱肋受力安全，線形可控。

2）對整體吊架體系中跨吊桿區(qū)主梁進行一次性總體預拱度設置，對吊桿索力分兩階段張拉控制，實現(xiàn)了主梁線形和最終吊桿索力的有效控制。

3）成橋后拱肋、主梁的高程實測值與理論值的偏差滿足小于L/3 000且不超過50 mm的預期要求；各吊桿索力的實測值與理論值的偏差總體上在5%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

該橋已于2019年12月建成通車，目前運營狀態(tài)良好。