梁拱組合橋拱肋大節段不對稱拼裝施工關鍵技術

武秀軍 WU Xiu-jun

（中鐵北京工程局集團有限公司，北京 102308）

0 引言

梁拱組合橋因結構變形性、抗風抗震性、抗疲勞性和技術經濟性良好，具有跨度大、承載能力高等優勢[1]，綜合考慮經濟、安全等因素，是強力競爭橋型之一[2]。梁拱組合橋常用施工方法為先梁后拱，鋼管拱常用施工方法有原位支架拼裝法、豎轉法、提升法等[3]。不同施工方法對工期、成橋線形控制等方面影響程度不同。卜東平[4]采用BIM 技術對鋼管拱拱肋深化加工安裝，并對施工方案進行模擬。陳躍[5]通過研究認為原位拼裝支架法在鋼管拱受力變形、應力變化等方面較豎轉法優勢明顯。傅安民[6]研究鋼管拱在高速公路垂直投影面以外搭設的輔助支架上拼裝。盧長炯[7]利用MIDAS/Civil 軟件對拼裝過程鋼箱拱肋、定位支架的關鍵施工過程進行仿真分析，確保了施工過程和成橋結構滿足安全要求。

以雷嶺河特大橋主跨160m 梁拱組合橋為依托，優化拱肋拼裝方案，利用有限元法開展拱肋不對稱拼裝施工過程模擬，分析支架受力穩定性能，并進行施工監測。

1 工程概況

雷嶺河特大橋（76+160+76）m 連續梁拱主跨同時上跨雷嶺河和S238 省道，與線路大里程夾角約76°43″。主拱肋采用豎直平行鋼管混凝土啞鈴拱，從橋面開始起拱，兩拱肋中心距14.8m，計算跨度160m，矢跨比f/L=1/5，拱肋立面矢高32m，拱肋采用二次拋物線。拱肋高3.1m，拱管直徑1.1m，拱管壁厚20mm、24mm，腹板壁厚16mm，拱肋鋼管和腹腔內灌注C55 自密實補償收縮混凝土。拱肋之間設2 道橫撐、6 道K 撐。吊桿采用GJ15-10 和GJ15-12 型整束擠壓鋼絞線拉索，雙層HDPE 高密度聚乙烯護套，吊桿縱向間距9m，共設32 組縱向吊桿。

2 拱肋拼裝方案

2.1 施工方案優化

鋼管拱原設計采用豎轉法（方案1）進行施工，在橋面搭設拼裝支架進行拱肋拼裝，在主墩位置設置豎轉提升的索塔（塔頂距梁面高55m）及提升設備，待兩側拱肋拼裝完成后，豎轉提升至設計位置合龍。結合現場情況，擬采用原位不對稱拼裝法（方案2）進行鋼管拱施工，橋面上搭設臨時格構式鋼管承重支架，采用130t 汽車吊在梁面上從拱腳開始逐節吊裝拱肋至支架上拼裝，直至拱頂合龍，如圖1 所示。

圖1 兩個比選方案示意圖

通過對兩種拼裝方案進行對比分析，如表1 所示，綜合考慮后采用方案2。

表1 拼裝方案比選分析

2.2 不對稱拼裝方案

①拱肋施工分段。鋼管拱分為拱腳預埋段、拱肋標準段、合龍段和橫撐。拱腳預埋段與連續梁0#塊同步施工。為減少焊接工作量，且便于運輸，拱肋標準段劃分為12 個節段。為減少高空焊接作業，現場再拼接成6 個吊裝節段單元，節段單元最大長度29.92m，最大重量49.6t。

②支架體系。拼裝支架采用雙柱型格構式鋼管立柱，共布置5 組，鋼管立柱規格為?426×8mm、?325×8mm，頂部分配梁規格為雙拼I36a、雙拼I40a 工字鋼，連接系橫桿、斜桿采用[16a，拱肋支架立柱布置間距有四種：5600×2000mm、4500×2000mm、2500×2000mm 和3000×2000mm，立柱連接采用焊接，連接系與立柱連接采用連接板連接。分配梁頂設置月牙板用于支撐拱肋，板厚δ=24mm，高度根據實際調整。拱肋拼裝支架材質規格均為Q235B。鋼管柱底部與梁體預埋錨板焊接，板厚δ=24mm，錨筋采用9根?16mmHPB300 圓鋼。

③施工過程。拼裝支架及拱肋均采用位于橋面的130t汽車吊側方位從地面依次對稱吊裝。拱肋不對稱拼裝施工流程如表2 所示。

表2 拱肋不對稱拼裝施工流程

2.3 施工關鍵技術

在拱肋拼裝施工過程中，拱肋與支撐支架存在失穩安全風險，在風荷載作用下產生局部屈曲，面臨的關鍵問題如下：①在拱肋不對稱拼裝階段，支架與預應力混凝土連續梁的強度、剛度等有待驗證。②臨時設備荷載大，支架將拱肋荷載傳遞至預應力混凝土連續梁時，疊加吊車吊裝荷載，需要關注頂板的局部抗裂安全。

鑒于此，應關注拱肋不對稱拼裝、支架拆除等階段的連續梁、拱肋及施工設施的穩定與安全問題，通過建立有限元模型分析其受力性能，確保拼裝過程的安全。

3 拱肋拼裝施工模擬

模擬分析不對稱拼裝過程中拱肋結構和預應力混凝土連續梁結構受力狀態的穩定與安全。該工程施工模擬計算荷載主要為結構自重，同時考慮施工過程中風荷載對結構的影響[8]。

3.1 支架及拱肋分析

①整體穩定性分析。基本風壓取值0.6kPa，作用于Φ426×8mm 鋼管柱風荷載0.2556kN/m；作用于Φ325×8mm鋼管柱風荷載0.195kN/m；作用于[16a 剪刀撐風荷載0.096kN/m；作用于分配梁I36/I40 風荷載0.24kN/m；作用于拱肋風荷載1.86kN/m。支架在風荷載作用下傾覆力矩為17329.6kN·m。

拱肋及橫撐總重6812.8kN，支架自重1212kN，力距為7.4m，抗傾覆力矩59383.52kN·m，抗傾覆安全系數為59383.52/17329.6=3.4，故結構不會傾覆。

②整體屈曲分析。在拱肋不對稱拼裝及脫架工況下，組合風載，計算支架體系的強度與剛度。“合龍+風荷載”最不利工況下，支架及拱肋整體抗風失穩系數5.734；脫架最不利工況下，整體抗風失穩系數4.318；拼裝、脫架過程穩定性能均較高。

③鋼管柱分析。根據有限元分析，拆除工況下支架應力小于吊裝工況，“B5+B6 段吊裝+風荷載”工況下，拱肋支架1 單肢鋼管最不利受力，鋼管柱最大軸力N=687.8kN，計算長度500cm，截面面積A=79.671cm2，回轉半徑i=11.211cm，長細比λ=44.6，穩定系數Φ=0.88，則穩定性計算值0.456＜1，故鋼管柱不會失穩。

3.2 箱梁結構分析

建立預應力混凝土箱梁實體分析模型。考慮吊車支腿與支架立柱橫向對齊施加拱肋拼裝階段的反力作用在箱梁頂板上，預應力混凝土箱梁及配筋應力云圖如圖2 所示，最大壓應力3.14MPa，局部拉應力約0.1MPa，鋼筋最大拉應力164.1MPa，無開裂風險。

圖2 箱梁應力云圖

4 施工監測數據分析

4.1 拱肋變形監測

每一拱肋節段的端截面拱頂、拱底各設立一個測點，全橋共計19 個拱肋高程測點布置。按測量要求，在測點處設置反射片，采用全站儀和GPS 進行觀測，安裝最大偏差值（+16mm，-7mm），安裝線形擬合較好。

4.2 拱肋應力監測

拱肋應力測點布置在一側拱腳、L/2 截面的上、下拱管，布置2 個截面，共16 個監測點。拱腳截面內部混凝土測點和所有截面鋼管應力測點均為外貼式帶測溫型傳感器。主要監測鋼管拱拱肋混凝土泵送、吊桿張拉工況下拱肋應力，理論值與實測值最大偏差1.3MPa，主要由于理論計算是近似模擬實際施工過程所產生。

4.3 吊桿索力監測

吊桿將梁體自重和梁體上部荷載傳至拱肋。在整個施工過程中，吊桿內力不斷發生變化，內力施工控制需在吊桿施工的各工序完成后反復進行索力復測，與理論值比對，如偏差超出容許值則需要進行索力調整。在吊桿張拉階段采用JMM-268 索力動測儀對吊桿內力進行測量。吊桿全部張拉后實測值與理論值最大偏差為5.0%，滿足10%的施工精度要求。

5 結語

雷嶺河特大橋160m 鋼管拱采用大塊段、不對稱拼裝施工方法，采用有限元軟件反復推演、分析論證方案可行性和支架安全性，并結合施工過程監測數據分析檢驗，主要結論如下：

①鋼管拱采用大塊段、不對稱拼裝方法施工，可以節約周轉料投入，施工速度快。②經支架整體屈曲分析可知，為滿足穩定性要求，單側拱肋安裝時須將左右兩幅支墩連成整體，同里程側左右兩幅的首節拼裝拱肋安裝完成后應優先進行橫撐的連接，盡早將左右兩幅的拱肋連成整體。③由于吊車上橋，臨時荷載較大，需關注連續梁局部抗裂性能。④各工況下拱肋應力理論值與實測值存在一定的誤差，主要由于理論計算是近似模擬實際施工過程。這些誤差主要由應變滯后性、混凝土干縮與徐變的影響、連續梁剪力滯后效應、溫度影響、混凝土的彈性模量等因素引起。⑤通過對支架體系合理設計及施工過程精細化模擬，輔以現場施工實時監測，臨時設施安全可控。