某100 m 簡支拱橋施工過程分析

王 吉

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，哈爾濱 150000）

大跨度簡支拱橋從材料、跨徑、施工方法和結構形式方面都有了長足的發展[1]，但不管如何發展，安全生產和施工是工程項目永遠的主題與核心。鄧鑫[2]對施工過程中的各種因素進行綜合考慮，從難度、安全、質量、工期和經濟性5 個方面，針對不同的施工方案進行了對比，確定了最佳施工方案。同樣是大跨度鋼拱橋的施工，方睿[3]、宋勝錄[4]、余浩淼[5]分別重點分析了吊裝安設、臨時支撐的設置和施工方案理論分析，并且張志偉[6]還進行了荷載試驗來判定各項指標的正常性，另外李國華[7]則強調了鋼拱段預制精度對現場安裝施工精度的重要性。

1 工程簡介

100 m 簡支拱橋的橋型結構如圖1 所示，全長102.7 m，計算跨度為100 m，矢跨比為f/L=1∶5，拱肋立面投影矢高20 m。拱肋采用二次拋物線，拱肋立面投影方程為Y=4×20（100-X）X/1002（m）。拱肋在橫橋向內傾8°，呈提籃式，拱頂處兩拱肋中心距11.283 m。鋼管直徑為1.0 m，由20 mm 的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用厚度16 mm 的腹板連接，拱管內灌注C50 補償收縮混凝土。拱肋鋼材材質均為Q370qE。拱肋之間設1 道一字撐和4 道K 撐。一字撐采用外徑1.0 m 的圓形鋼管組成，斜撐采用外徑0.8 m 的圓形鋼管組成，鋼管內均不填充混凝土。拱肋橫撐鋼材材質均為Q370qE。

圖1 橋型結構示意圖

2 拱肋節段劃分

2.1 拱肋節段劃分原則

裝配式鋼拱橋施工需要預先在加工廠進行鋼拱節段的預制，經出廠校檢合格之后，方可運輸至施工現場進行安裝，而節段的劃分是加工制作的重要組成部分，其直接關系到加工生產和現場安裝的進度、質量與安全問題，節段劃分的原則主要從以下4 個方面考慮。

1）設計要求：在有結構連續性的節點處不得作為節段的劃分點，在有精細連接件的地方不得作為節段的劃分點，在2 個拱肋的中間連接結構處不得作為節段的劃分點。

2）加工要求：根據加工制造廠的加工能力和車間條件，不得超出車間生產力進行節段的劃分。

3）運輸要求：根據運輸車輛的選型、運輸路線的選擇及相關地區超載要求等進行節段的劃分，嚴格控制節段的重量和長度劃分。

4）根據吊車的選型，控制節段的劃分，最大節段重量不得超出所選吊車的吊裝能力。

2.2 拱肋節段劃分參數

根據以上節段的劃分原則，通過詳圖深化，由圖2 可知將2 個拱肋分為22 個節段（含4 個拱腳節段），分別為預埋段S0（拱腳處）為4 段，中間段S1—S4 共16 段，合攏段S5 為2 段，合計22 段，其中最長、最重節段均為中間段S1，分別為13 000 mm、21 t。拱肋分段具體參數見表1。

圖2 拱肋分段圖

表1 拱肋節段劃分參數

3 施工過程分析

3.1 臨時支撐體系的選型及布設

拱肋支架采用直徑315 mm、壁厚7 mm 的雙排鋼管柱，拱肋支架布置在鋼管拱分節接頭處，分配梁采用I32b 工字鋼，系梁采用直徑237 mm、壁厚7 mm 的焊管，立柱間水平支撐和斜撐采用14a 槽鋼，拱肋支架材料均采用Q235B。

根據拱肋的結構特點，采用從2 側拱腳向中間合攏段階梯式臨時支撐的布設，一共布設9 組支架，鋼管柱底部和系梁梁體預埋鋼板進行焊接固定，在頂部設置纜風繩固定在系梁預埋拉環。拱肋支架采用1臺80 t 汽車吊車在橋上進行吊裝，吊點設置在鋼管柱頂部，下部設置攬風繩，人工牽引攬風繩將鋼管柱緩慢對中安裝在預埋鋼板上，具體布設如圖3 所示。

圖3 支架布置圖

3.2 施工過程

拱肋采用2 臺80 t 的汽車吊車在橋面進行吊裝，為保證拱肋安裝精度，擬采用從2 邊拱腳向跨中對稱吊裝的順序進行吊裝，具體安裝施工步驟如下。

步驟一：首先采用80 t 汽車吊車進行臨時支撐體系的安裝，鋼管支架安裝時，吊垂線控制支架豎直，然后2 臺80 t 汽車吊車就位準備進行拱肋的吊裝。

步驟二：采用2 臺80 t 汽車吊車同時臺吊安裝拱腳預埋段S0，2 側對稱吊裝，如圖4 所示。

圖4 拱腳預埋段S0 安裝示意圖

步驟三：采用2 臺80 t 汽車吊車同時臺吊安裝鋼管拱肋S1 節段，2 側對稱吊裝，兩相鄰拱肋節段端頭標識監控點。在橋位吊裝時，嚴格控制監控點的里程坐標和高程坐標。吊裝時先對位法蘭，在支架處設置千斤頂進行微調，待坐標滿足規范要求后，施擰法蘭螺栓，進行剛性約束，并同步吊裝橫撐及斜撐，如圖5 所示。

圖5 鋼拱節段S1 安裝示意圖

步驟四：同步驟三吊裝鋼管拱肋S2-S3-S4 節段，并同步吊裝橫撐及斜撐，如圖6 所示。

圖6 鋼拱節段S2-S3-S4 安裝示意圖

步驟五：按規范要求在1 d 內溫度最低的時間段吊裝鋼管拱肋合攏段S5 節段，并同步吊裝橫撐，如圖7 所示。

圖7 合攏段S5 安裝示意圖

步驟六：兩榀拱肋間“一”字撐及“K”撐安裝，灌注拱肋內壓混凝土，如圖8 所示。

圖8 成橋示意圖

4 施工模擬計算

4.1 模型簡介

采用MIDASCivil 建立各施工階段計算模型，支架鋼管立柱、系桿、平聯及斜撐采用梁單元模擬，根據鋼管拱截面建立鋼管拱模型，鋼管拱節段自重通過自重荷載添加，鋼管拱與拱肋安裝支架柱頂橫梁間建立彈性連接，預埋拱腳按鉸接約束，其他施工階段拱腳按固結設置約束。除了考慮自重荷載外，根據施工階段還要考慮安裝過程中的沖擊荷載、施工荷載和風荷載。

4.2 最危險工況分析

4.2.1 臨時支撐穩定性計算

支架穩定性最不利工況為支架搭設完成，未開始吊裝拱肋，支架受橫橋向風荷載作用。

風荷載產生的橫向推力：F=Wk×A=50.31 kN；

橫向推力產生的傾覆力矩：M=F×L=50.31×8.4=422.60 kN·m；

支架自重產生的抵抗力矩：M0=G×h=379.7×1.995=757.5 kN·m；

則：M/M0=757.5/422.60=1.79≥1.5，滿足要求。

4.2.2 拱肋安裝階段模擬分析

通過對整個安裝施工過程的模擬，發現在安裝鋼拱節段S4 的時候，其應力與變形達到最大值，如圖9—圖10 所示。

圖9 安裝S4 段支架組合應力圖

圖10 安裝S4 段支架變形圖

該施工工況下，組合應力達到最大值σ=142.5MPa≤[σ]=215 MPa，滿足要求，最大變形值為1.635 mm。

4.2.3 灌注砼階段模擬分析

鋼拱管內灌注混凝土后，進行支架的數值模擬，通過仿真計算，可以得到最大組合應力為σ=186.1 MPa≤[σ]=215 MPa，滿足要求，最大變形值為4.64 mm，如圖11—圖12 所示。

圖11 灌注砼后支架組合應力圖

圖12 灌注砼后支架變形圖

5 結束語

該100 m 簡支拱橋根據設計、運輸及現場安裝等要求，科學合理地確定了鋼拱段的劃分，將預埋拱腳、中間段與合攏段共劃分為22 個鋼拱段，并針對鋼拱橋的結構特點對臨時支撐結構進行了選型與布設，通過對現場施工仿真數值模擬的應力及變形結果來看，整個施工過程安全可靠，可以保證施工的順利進行。