下承式連續(xù)梁-拱組合橋施工方案比選研究

李杰，胡欽俠，朱金柱

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

伴隨著我國橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)越來越多設(shè)計新穎且造型美觀的橋型，其中，下承式梁拱組合橋因適用范圍廣、結(jié)構(gòu)剛度大、造型簡單、景觀效果良好而被廣泛應(yīng)用。在下承式連續(xù)梁-拱組合橋的建造過程中，采用不同的施工方案，其技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、安全可控性等會有較大差異[1-4]，本文以下承式連續(xù)梁-拱組合橋——余信貴大道月湖特大橋主橋為例，研究其最優(yōu)的拱橋施工方案，研究方法以及研究結(jié)論可為類似橋梁施工借鑒和參考[5]。

1 工程概述

余信貴大道月湖特大橋主橋為（30+185+30）m中央索面下承式梁拱組合結(jié)構(gòu)，拱軸線為二次拋物線，理論跨徑185 m，矢高46.25 m，矢跨比為1 ∶4。主梁采用鋼混疊合梁，全長244.72 m，全寬47.0 m，橋梁設(shè)計標(biāo)高處梁高4.0 m。頂板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為28 cm。拱肋采用單室箱型截面，截面尺寸由拱頂4.5 m×4.5 m 線性漸變至拱底6.0 m×6.0 m。拱肋共劃分11 個節(jié)段繪制，其中GJa、GJb 與主梁固結(jié)，拱肋鋼結(jié)構(gòu)除GJa、GJb 采用Q420qD，其余均采用Q345qD，吊桿在梁上縱向間距8.5 m，全橋共19 對。在拱腳處，設(shè)固定球型鋼支座、橫向活動球型鋼支座，活動墩頂面設(shè)縱向活動球型鋼支座、雙向活動球型鋼支座。該橋設(shè)置雙向6 條設(shè)計速度60～80 km/h 的機(jī)動車道，荷載等級為城一A 級[6]。

2 施工方案

目前我國下承式連續(xù)梁-拱組合橋的施工方法常用的有少支架施工法、懸臂架設(shè)法、纜索吊施工法和頂推法。以月湖特大橋為工程背景，通過對該流域的水文、氣候、通航情況等進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合橋址實際情況，參考同類橋梁施工經(jīng)驗[4,7-10]可知，月湖特大橋是單拱連續(xù)梁拱組合橋，單拱肋穩(wěn)定性較差，采用少支架施工時，不利于支架安拆，且會影響后續(xù)梁段的安裝。對于懸臂架設(shè)法，工程背景通航要求最少預(yù)留61 m 距離，搭設(shè)臨時支墩或者臨時支架難以滿足要求且風(fēng)險較大，不適宜采用。由此本文將針對纜索吊施工和頂推施工2 種施工方案進(jìn)行比較，圍繞技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、安全可控性3 方面展開對比分析，力求選擇安全、工期快、費(fèi)用節(jié)省的最優(yōu)實施方案[11-12]。2 種方案具體實施步驟如表1 所示。

表1 2 種施工方案步驟Table 1 Two kinds of construction scheme steps

纜索吊施工和頂推施工總體布置圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 纜索吊施工總體布置圖（mm）Fig.1 General layout of cable hoisting installation(mm)

圖2 頂推施工布置圖（mm）Fig.2 Layout of jacking installation(mm)

根據(jù)上述2 種施工方案，采用有限元軟件Midas civil 建立相對應(yīng)的有限元模型。模型中導(dǎo)梁、主梁、拱肋、索塔、拱肋支架和拱座采用梁單元模擬，扣索、背索、吊桿采用桁架單元模擬，拱腳等約束按照實際圖紙進(jìn)行設(shè)置，支承單元采用只受壓單元，模擬可能出現(xiàn)的脫空現(xiàn)象。該橋設(shè)計為雙向6 車道，按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，恒載考慮自重和二期恒載，活載考慮人行道荷載。

3 施工方案比選

3.1 技術(shù)可行性比選研究

3.1.1 纜索吊方案技術(shù)可行性研究

對于纜索吊施工方案而言，它的技術(shù)可行性主要控制指標(biāo)一般為：1）索塔豎向、縱向位移；2）拱肋位移、應(yīng)力；3）拱腳水平推力、臨時吊桿；4）扣索及背索力[13]。本節(jié)將通過以上4 個參數(shù)驗算纜索吊方案技術(shù)可行性。

1）索塔位移和應(yīng)力

索塔最大位移和最大應(yīng)力圖見圖3。

圖3 索塔最大位移和最大應(yīng)力圖Fig.3 Maximum displacement and maximum stress of cable tower

由圖3 分析結(jié)果可知：采用纜索吊施工工藝時，施工過程中索塔最大豎向位移為32 mm，最大縱向位移為17 mm，索塔豎向位移可通過對索塔預(yù)抬高處理，另根據(jù)分析結(jié)果，隨著拱肋吊裝的進(jìn)行，索塔水平位移逐漸減少至5 mm；施工過程中索塔最大應(yīng)力為143 MPa（受壓），因此索塔應(yīng)力和位移均在規(guī)范要求范圍以內(nèi)。

2）拱腳水平力和臨時系桿力

纜索吊施工扣索和背索序號由上向下依此增大，背索編號為SR，扣索編號為SF，因此，背索和扣索自上而下分別為SR1—SR6 和SF1—SF6。

施工階段各種構(gòu)件受力圖見圖4。

圖4 施工階段部分構(gòu)件受力圖Fig.4 Diagram of force on some components in installation process

由圖4 分析結(jié)果可知：采用纜索吊施工工藝時，施工過程中拱腳處產(chǎn)生的最大水平推力達(dá)到10 835.9 kN，該水平推力較大，因此對拱腳處支座要求較高；拱腳處共設(shè)置4 根臨時系桿，單根臨時系桿力最大為7 000 kN，對施工過程中臨時系桿張拉設(shè)備和張拉空間有一定要求，另扣索和背索最大受力分別為1 000 kN 和1 100 kN，均小于規(guī)范允許值。

3.1.2 頂推方案技術(shù)可行性研究

對于頂推施工方案而言，通過在已頂推完成的主梁上搭設(shè)支架，然后進(jìn)行拱肋的拼裝，因此與纜索吊施工不同的是，頂推施工過程中技術(shù)可行性主要控制指標(biāo)重點是：1）導(dǎo)梁、主梁應(yīng)力；2）導(dǎo)梁、主梁位移；3）臨時墩最大支反力。由于頂推施工工藝的頂推過程結(jié)構(gòu)受力情況更為復(fù)雜，選取的工況均是施工過程中的最不利階段，分別包括導(dǎo)梁前端或主梁尾部懸臂較大工況，見表2，這些關(guān)鍵工況下導(dǎo)梁前端或主梁尾部的位移較大[14]，本節(jié)將通過這些工況結(jié)構(gòu)受力情況驗算頂推方案技術(shù)可行性。

表2 頂推過程詳細(xì)工況Table 2 Detailed working conditions of jacking process

1）導(dǎo)梁、主梁應(yīng)力

主梁、導(dǎo)梁應(yīng)力和位移圖如圖5 所示。

圖5 主梁、導(dǎo)梁應(yīng)力和位移圖Fig.5 Stress and displacement diagram of main beam and guide beam

由圖5 可知，采用頂推施工工藝時，施工過程中主梁最大應(yīng)力為66.7 MPa，導(dǎo)梁最大應(yīng)力為-114.4 MPa，頂推完成時應(yīng)力均降至50 MPa 以內(nèi)；主梁最大位移為-62 mm，導(dǎo)梁最大位移為-253 mm，隨著頂推的進(jìn)行，導(dǎo)梁和主梁位移相對初始值大幅降低，頂推完成時位移均在10 mm 以內(nèi)。由此可見，頂推過程中強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

2）臨時墩支反力

頂推施工過程中臨時墩編號由左至右分別為臨時墩1—臨時墩5，整理各臨時墩支反力計算結(jié)果，各墩支反力在頂推過程中的變化趨勢見圖6。

從圖6 可知，采用頂推施工工藝時，頂推過程中臨時墩最大支反力為15 888.9 kN，出現(xiàn)在第一階段即導(dǎo)梁大懸臂階段（跨度61 m）的臨時墩2 處，頂推結(jié)束，拱肋安裝完成時臨時墩3 出現(xiàn)最大支反力15 954.1 kN，由此可知頂推施工方案中臨時墩支反力均在規(guī)范和設(shè)計允許范圍內(nèi)。

圖6 臨時墩最大支反力Fig.6 Maximum support reaction force of temporary pier

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性比選研究

通過對纜索吊方案和頂推方案的主要施工成本、預(yù)算造價以及預(yù)算利潤進(jìn)行詳細(xì)計算，得出結(jié)論如下：

纜索吊施工方案技術(shù)相對更加復(fù)雜，所需人工費(fèi)和材料費(fèi)將遠(yuǎn)大于頂推方案，而頂推方案設(shè)備費(fèi)更昂貴，綜合來看纜索吊方案施工成本相對頂推方案來說更高，而預(yù)算造價方面，頂推方案的預(yù)算更加充裕，綜合來看，頂推方案預(yù)計利潤率相比纜索吊方案更高，從經(jīng)濟(jì)可行性方面來說，頂推方案遠(yuǎn)勝纜索吊方案[4，15]。

3.3 安全可控性比選研究

根據(jù)以往施工經(jīng)驗以及實際項目情況，對纜索吊方案和頂推方案進(jìn)行詳細(xì)分析，從技術(shù)復(fù)雜程度、起重設(shè)備要求、安全風(fēng)險以及進(jìn)度優(yōu)勢等多個方面綜合考慮，將2 種施工方案的優(yōu)勢劣勢列出，如表3 所示。

通過表3 對比分析結(jié)果可知：

表3 不同施工方案安全可控性比選Table 3 Comparison and selection of safety controllability of different installation schemes

1）從技術(shù)復(fù)雜程度方面考慮，采用纜索吊施工工藝時，拱腳臨時錨固水平力最大將近1 100 t，因此該方案對拱腳處縱向約束支座要求很高，另臨時系桿單根張拉力達(dá)到700 t。方案中共包含4 根臨時系桿，該方案對現(xiàn)場張拉設(shè)備預(yù)留空間有較高要求。

2）纜索吊施工需進(jìn)行高空作業(yè)，相比頂推施工風(fēng)險性更大，結(jié)合該項目施工現(xiàn)場情況，纜索吊施工還會影響東西岸引橋施工，主引橋無法同步施工，工期稍長，頂推施工則不存在該問題。

4 結(jié)語

本文通過建立2 種不同施工方案的有限元模型，重點進(jìn)行了橋梁在各施工過程中多方面可行性研究分析，得出如下結(jié)論：

1）纜索吊和頂推施工方案在技術(shù)可行性上均可實現(xiàn)，但采用纜索吊方案時拱腳臨時錨固水平力在施工過程中最大值達(dá)到將近1 100 t，因此對拱腳處縱向約束支座要求很高，另臨時系桿單根張拉力達(dá)到700 t，對現(xiàn)場張拉設(shè)備及預(yù)留空間有較高要求。

2）從經(jīng)濟(jì)可行性方面來說，頂推方案相比纜索吊方案利潤更可觀，因此頂推方案相比纜索吊方案經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

3）纜索吊施工需要進(jìn)行高空作業(yè)，相比頂推施工風(fēng)險性更大，另結(jié)合該項目實際施工現(xiàn)場情況，纜索吊施工會影響東西岸引橋施工，相對頂推施工工期更長。

通過對纜索吊和頂推方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、安全可控性3 方面的綜合比選，推薦在頂推施工的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工方案深化及優(yōu)化設(shè)計。