無支架施工系桿拱橋臨時錨固設計與受力特性分析

姜海波

（江蘇金堰交通工程有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

拱橋是一種古老的橋型，因其造型優美、造價經濟和結構獨特等優勢而得以廣泛應用[1]。其中，下承式系桿拱橋作為一種無推力的拱式組合體系橋梁，因其超強的跨越能力和地基適應能力而被持續建造[2]。系桿拱橋分“先梁后拱”與“先拱后梁”兩種施工方法[3]。當跨越山谷、高等級航道及其他不宜采用支架施工的情況時，可采用“先拱后梁”的無支架施工方法。

系桿拱橋無支架施工是通過先架設的拱肋作為系梁和橋面系的施工平臺，從而避免橋下支架的搭設[4]。永久系桿施工前，采用“先拱后梁”施工的系桿拱橋需要設置臨時索，用以抵抗施工期間的拱腳推力。為保證施工期間的安全，臨時索的設計是本方法的關鍵之一，本文結合實際工程對臨時索設計方法進行介紹。

臨時索噸位較大，巨大的水平將由增設的臨時錨固塊進行承擔，因此臨時索錨固塊的安全性十分重要。相似工程的研究表明，該處受力十分復雜[5]，需對其進行局部受力分析。

1 工程概況

新建泰東河大橋位于泰州市姜堰區，上部結構為主跨115 m 的下承式鋼管混凝土系桿拱結構，原設計推薦采用少支架拼裝的先梁后拱施工方法，后結合施工現場實際情況，基于施工便利性和成本分析對施工方法進行了比選。經詳細論證，變更為先拱后梁的無支架施工方法。主橋計算跨徑為111 m，矢高為22.2 m，矢跨比1/5，標準橋面寬度（不含拱肋區）12.0 m。橫向采用兩片拱肋，拱肋為啞鈴型鋼管混凝土結構，拱肋鋼管外徑1 m，兩片拱肋間設置風撐；系梁為預應力混凝土結構，通過拱腳鋼混結合段與拱肋進行有效連接，系梁高度為2 m。泰東河大橋主橋的總體布置如圖1 所示。

圖1 泰東河大橋總體布置圖（單位：cm）

新建泰東河大橋采用無支架施工方法進行安裝，主要的施工步驟如下：

（1）下部結構和拱腳（含端橫梁）施工。該部分施工采用支架現澆法，支架均設置在通航航道范圍之外。

（2）拱肋安裝。無支架施工方法采用“先拱后梁”的順序施工，拱肋安裝可采用轉體、懸臂扣索和整體吊裝等多種施工方法。本工程拱肋采用鋼管混凝土，先整體吊裝鋼管，拱腳焊接合龍完成后澆筑拱肋混凝土。

系梁施工完成前，拱腳需要設置抗推構造抵抗拱腳水平推力。因拱腳推力較大，如采用橋墩本身進行被動抗推，橋墩和樁基將設計的十分強大，經濟性和美觀性較差。基于此，本工程采用臨時索進行主動控制。鋼管拱肋焊接完成后即進行臨時索安裝。

（3）系梁安裝。系梁采用預應力混凝土箱梁，梁高2 m，梁寬1.2 m,采用分段預制安裝的施工方法。每片系梁分為9 個節段，節段長度為9.9～15.25 m，系梁節段之間、系梁與拱腳之間現澆濕接縫進行連接。

系梁安裝分步進行，每個節段安裝后，拱腳水平推力逐漸增大，拱腳位移增大，因此安裝后均需要進行臨時索的張拉，將拱腳位移控制在允許范圍內。系梁節段安裝完成后，進行臨時鎖定并澆筑濕接縫形成整體，預應力鋼束張拉后拆除臨時索完成體系轉換。

（4）橋面系施工。橋面系施工主要包括橫梁施工、橋面板安裝、附屬設置施工。其中，中橫梁與橋面板均采用預制構件，中橫梁與系梁采用濕接縫連接，橋面板簡支支撐于橫梁上。

2 泰東河大橋臨時錨固設計

臨時索的設計主要包含兩個步驟：（1）根據全過程施工模型，計算各階段需要的水平推力，確定最大臨時索力，并合理選取臨時索總根數；（2）根據確定的臨時索總根數，結合錨固構造與施工條件，進行錨固區詳細設計。

2.1 最大臨時索力的確定

為計算施工過程中各階段的水平推力，建立全過程施工模型（見圖2），兩側拱腳邊界條件均設置水平約束，拱腳水平反力即為水平推力。

圖2 全過程施工模型

臨時索主要在系梁濕接縫澆筑前用以抵抗拱腳推力，系梁澆筑完成后即可拆除臨時索，拱腳水平力通過系梁（內置預應力束）抵抗。將系梁濕接縫澆筑前的單個支座水平推力變化過程繪制成曲線圖，如圖3 所示。

圖3 拱腳水平推力變化曲線

從圖3 可以看到，隨著施工過程的進行，結構承擔的豎向荷載越來越多，水平推力也逐漸增大，濕接縫合龍階段，水平推力達到最大值，最大值為6 719 kN，臨時索的設計荷載即為上述最大水平推力。

2.2 錨固構造設計

系梁拱腳與端橫梁區域設置了體外預應力鋼束的錨固塊，根據上述最大臨時索力進行體外束的選取與布置，兩側各布置了4 束19φs15.2 mm 鋼絞線，其張拉控制應力小于0.65 fpk=1 209 MPa。具體臨時索布置及錨固詳細構造如圖4 所示。

圖4 臨時索布置示意圖

3 臨時錨固受力特性分析

3.1 有限元分析模型

為精細化分析臨時體外預應力鋼束錨固區系梁拱腳和端橫梁混凝土的局部應力水平和局部變形情況，采用土木工程非線性和細部分析軟件Midas FEA，在體外預應力鋼束作用下對系梁拱腳與端橫梁區域混凝土進行三維仿真分析。為正確模擬邊界條件，模型考慮同時建立拱腳系梁、端橫梁、鋼管混凝土拱肋、體外束、錨固塊及端橫梁加強構造。本文建立的有限元分析模型如圖5 所示。

圖5 有限元分析模型

模型有限元計算模型中的荷載主要包括結構自重和端橫梁預應力荷載，以及體外鋼束的水平作用力。其中，結構自重按軟件自重計入；預應力荷載通過軟件自帶預應力荷載功能進行加載；體外鋼束的水平作用力通過面荷載施加于鋼束孔道范圍的節點上；系梁重量通過節點荷載進行施加。施工過程選取了系梁合龍前。

3.2 有限元分析結果

3.2.1 端橫梁受力分析

在標準組合作用下，端橫梁橫橋向正應力分布如圖6 所示。

圖6 端橫梁橫橋向正應力分布圖

從圖6 可以看出，（1）臨時索力的施加，導致橫梁受力發生變化，存在明顯的橫向彎曲效應，順橋向應力分布不均勻，呈現梯度分布規律，施工期間預應力張拉時機要充分考慮橫向不均勻性，宜采用橫向不對稱張拉。（2）端橫梁橫橋向正應力大多處在-7.66～2.35 MPa；拉應力出現在近跨中側上緣，最大值為2 MPa，端橫梁與錨固塊交界局部位置應力集中達到4 MPa。

3.2.2 錨固塊受力分析

在標準組合作用下，錨固塊主拉應力分布如圖7所示。

從圖7 可以看出，錨固塊的主拉應力大多處在-0.91～4.17 MPa；主拉應力較大值主要出現在臨時索錨下區及與系梁交界位置。錨固塊整體主拉應力較小，滿足受力要求。

圖7 錨固塊主拉應力分布圖

4 結 語

本文詳細介紹了泰東河大橋無支架施工流程，并對臨時索設計方法進行了介紹，在此基礎上對錨固橫梁和錨固塊受力特性進行了精細化計算分析，得到如下結論：

（1）隨著施工過程的進行，拱腳水平推力逐漸增大，系梁濕接縫合龍階段，水平推力達到最大值，本項目單側最大水平推力為6 719 kN。

（2）臨時索力的施加，導致橫梁受力發生變化，存在明顯的橫向彎曲效應。端橫梁與錨固塊交界局部位置應力集中現象明顯，應布置加強鋼筋防止施工過程中開裂。

（3）錨固塊主拉應力較大值主要出現在臨時索錨下區及與系梁交界位置，錨固塊整體主拉應力較小，滿足受力要求。