系桿拱橋凱旋門(mén)式主墩墩頂支架施工技術(shù)研究

作者簡(jiǎn)介：韋景光（1978—），高級(jí)工程師，主要從事橋梁與道路技術(shù)研究和施工管理工作。

摘要：文章以六律邕江特大橋?yàn)橐劳校榻B了系桿拱橋凱旋門(mén)式主墩墩頂現(xiàn)澆支架的結(jié)構(gòu)選型及施工要點(diǎn)，并利用Midas Civil有限元軟件對(duì)支架受力進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，墩頂支架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足施工需要，驗(yàn)證了支架結(jié)構(gòu)的正確性及合理性，可供類(lèi)似工程參考。

關(guān)鍵詞：系桿拱；鋼管支架；施工技術(shù)；有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.22⁺5

0 引言

拱橋是一種古老的橋型，早期的拱橋大部分屬于有推力拱，其特點(diǎn)是在豎向荷載作用下拱腳對(duì)墩臺(tái)有水平推力作用，水平推力減少了拱橋的跨中彎矩，可以增大拱橋的跨徑，但是對(duì)地質(zhì)有較高的要求，拱座及墩臺(tái)體積較大。無(wú)推力拱在豎向荷載作用下拱腳對(duì)墩臺(tái)無(wú)水平推力作用，其水平推力由沿橋梁縱向布置的剛性梁或柔性桿件承受，是一種內(nèi)部超靜定、外部靜定的組合體系橋梁；由于對(duì)拱腳無(wú)水平推力，特別適用于地質(zhì)較差的地區(qū)，但只能做成下承式橋型。系桿拱屬于常見(jiàn)的無(wú)推力拱，由于下承式拱橋拱座通常立于主墩之上，標(biāo)高較高，為減少主墩截面優(yōu)化造型，主墩常采用凱旋門(mén)式結(jié)構(gòu)，凱旋門(mén)式墩頂?shù)氖┕ぞ统闪酥鞫帐┕さ闹仉y點(diǎn)。

1 工程概況

六律邕江特大橋全橋跨徑組合為3.5 m+（4×30）m+7.5 m+265 m+7.5 m+（3×30）m+3.5 m，全橋總長(zhǎng)為497 m，主橋?yàn)橛?jì)算跨徑達(dá)265 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計(jì)算矢高為58.89 m，矢跨比為1/4.5。引橋采用30 m裝配式小箱梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。主橋拱肋與基礎(chǔ)采用固結(jié)體系，通過(guò)在拱腳間張拉系桿平衡拱肋水平推力，見(jiàn)圖1。

六律邕江特大橋4#、5#主墩采用縱向凱旋門(mén)式矩形混凝土實(shí)心墩，單個(gè)橋墩縱橫向尺寸為（4.5×8.5）m，兩片橫向通過(guò)拱座橫梁連接為一體。墩頂凱旋門(mén)高4.5 m，拱圈跨徑為10 m，凱旋門(mén)拱圈頂部與拱座橫梁底部平齊，拱座橫梁采用單箱雙室截面，高4.0 m，寬14.38 m，頂、底板厚0.8 m，腹板厚1 m。鋼筋采用HRB400，現(xiàn)澆混凝土等級(jí)為C40，見(jiàn)圖2。

2 現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)布置

2.1 支架選擇及結(jié)構(gòu)形式

墩頂凱旋門(mén)拱圈頂距承臺(tái)最大高度達(dá)到23.27 m，拱圈跨徑為10 m，主墩位于江中，汛期主墩下部和承臺(tái)會(huì)被洪水淹沒(méi)。凱旋門(mén)拱頂分兩次澆筑完成，混凝土單次澆筑最大方量達(dá)600余m³。一般而言，該類(lèi)型結(jié)構(gòu)的施工可采用的施工方案有盤(pán)扣式滿堂支架、預(yù)埋牛腿不落地支架和鋼管型鋼落地支架等，如采用盤(pán)扣式滿堂支架，支架高寬比較大，穩(wěn)定性不足，且盤(pán)扣支架無(wú)法抵抗洪水期水流的沖擊，安全風(fēng)險(xiǎn)高。而主墩鋼筋和勁性骨架密集，鋼筋間距小，如采用預(yù)埋牛腿的不落地支架，其預(yù)埋件有可能會(huì)破壞主筋的布置，影響主墩的受力。綜合施工條件和自然條件考慮，該凱旋門(mén)墩頂支架采用鋼管型鋼落地支架進(jìn)行施工。

立柱鋼管采用?530×10 mm螺旋鋼管，在承臺(tái)頂面等間距布置，順橋向設(shè)置4排鋼管，間距為2.72 m，橫橋向設(shè)置3排鋼管，間距為4 m。鋼管間設(shè)置C20槽鋼剪刀撐，第一道剪刀撐距承臺(tái)頂面為2.5 m，第二道剪刀撐距鋼管頂1.05 m。鋼管頂部開(kāi)豁口并橫向設(shè)置雙拼Ⅰ45a工字鋼的樁頂橫梁，其上再順橋向布置Ⅰ45a工字鋼分配梁，布置間距為1 m。分配梁上設(shè)置C25a拱形模板骨架和雙拼C25a拱肋。利用鐵絲按30 cm的間距在拱肋上綁扎10 cm×10 cm的方木，在方木上鋪設(shè)2 cm厚的竹膠板作為底模。所有鋼管和型鋼材質(zhì)均采用Q235。單個(gè)支架的用鋼量約91 667 kg，詳見(jiàn)圖3和表1。

2.2 支架有限元分析

采用Midas Civil軟件建立有限元計(jì)算模型，按承載能力極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算，荷載組合為1.2×結(jié)構(gòu)混凝土荷載+1.2×支架體系自重+1.4×動(dòng)水荷載+1.4×各類(lèi)施工荷載。

模型中管樁底部固結(jié)，管樁與樁頂橫梁之間采用剛性連接，并根據(jù)與其下部結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，取樁頂橫梁一端釋放Ry，其余節(jié)點(diǎn)釋放Dx和Ry。樁頂橫梁與分配梁之間采用剛性連接，并根據(jù)與其下部結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，取分配梁一端釋放Rx，其余節(jié)點(diǎn)釋放Dy和Rx。

以適當(dāng)間距劃分拱頂斷面，計(jì)算各斷面混凝土高度，換算成混凝土荷載，再通過(guò)壓力荷載施加在模型上^［1-3］。實(shí)際施工時(shí)混凝土分兩次澆筑，第一次澆筑至拱圈高度的2/3，但由于兩次澆筑的時(shí)間間隔較短，且第一次澆筑后結(jié)構(gòu)尚未封閉成環(huán)，故模型計(jì)算時(shí)第一次澆筑的混凝土仍視作荷載。動(dòng)水荷載以施工時(shí)可能發(fā)生的最高洪水位進(jìn)行計(jì)算，并考慮群樁遮流影響系數(shù)對(duì)動(dòng)水荷載的影響^［4］。

支架模型見(jiàn)圖4，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2計(jì)算結(jié)果可知，在荷載作用下，支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。

2.3 混凝土局部承壓計(jì)算

立柱鋼管底部立于永久結(jié)構(gòu)承臺(tái)之上，受力較大，應(yīng)進(jìn)行混凝土局部承壓計(jì)算。依據(jù)規(guī)范按式（1）～（3）計(jì)算^［5］：

計(jì)算得到混凝土局部承壓的承載能力為4 288 kN，支架有限元模型計(jì)算得到最大的鋼管支點(diǎn)反力為671 kN，滿足施工要求。

3 支架施工技術(shù)

3.1 支架搭設(shè)及預(yù)壓

在主墩承臺(tái)施工時(shí)提前預(yù)埋鋼管底部鋼板，確保支架鋼管底部能夠安裝固定牢固，鋼板下方布置4層螺旋鋼筋以增加混凝土抗壓能力。立柱底部設(shè)置δ=1 cm鋼板作為墊板，鋼管立柱與墊板焊接。同時(shí)，焊接8塊三角形δ=1 cm厚的鋼板作為加勁板。

鋼管一般以9 m為一節(jié)段，每節(jié)段鋼管樁施工完成后，立即進(jìn)行該節(jié)段鋼管樁間平聯(lián)與剪刀撐施工。樁頂橫梁安裝在鋼管立柱頂部，鋼管頂部開(kāi)豁口，用于固定樁頂橫梁。樁頂橫梁放入豁口后，將樁頂橫梁與立柱焊接在一起，防止橫梁受力位移。分配梁在樁頂橫梁上方等間距布置，并點(diǎn)焊固定。

加工雙拼槽鋼制作拱頂圓弧段，采用槽鋼制作拱頂骨架片，骨架制作完畢后采用汽車(chē)吊將拱形骨架片吊運(yùn)至安裝位置進(jìn)行安裝。

支架完成拼裝后進(jìn)行預(yù)壓。結(jié)合該支架的特點(diǎn)，采用水袋配合鋼筋、鋼絞線進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓為分級(jí)加載，按計(jì)算荷載的50%、100%、110%分三級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)加載的持荷時(shí)間＞24 h，加載達(dá)到最大荷載后維持24 h，然后再逐級(jí)卸載。在支架拱頂、1/4L拱圈和1/8拱肋位置設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)，每級(jí)加載后均觀測(cè)變形情況，根據(jù)預(yù)壓所測(cè)得的數(shù)據(jù)合理設(shè)置支架預(yù)拱度。

3.2 混凝土澆筑

混凝土采用泵送進(jìn)行澆筑。泵送前應(yīng)檢查泵送系統(tǒng)，首次泵送前應(yīng)進(jìn)行管道耐壓試驗(yàn)。混凝土分層、整體、連續(xù)澆筑，分層厚度控制在30 cm內(nèi)。首先澆筑墩頂段直至澆筑面標(biāo)高與墩頂橫梁底部標(biāo)高平齊，此時(shí)為第①部分;其次澆筑墩頂現(xiàn)澆段剩余部分及主墩橫梁，此時(shí)為第②部分，如圖5所示。第①部分澆筑時(shí)左右幅可分不同時(shí)間澆筑；第②部分澆筑時(shí)，采用兩臺(tái)泵送系統(tǒng)同時(shí)澆筑，由兩側(cè)主墩向橋梁中心處均勻布料澆筑。

施工過(guò)程中利用觀測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架變形情況，如發(fā)現(xiàn)異常立即暫停施工，待查明原因后方可繼續(xù)進(jìn)行混凝土澆筑。整個(gè)混凝土澆筑過(guò)程中，支架最大豎向變形為7.5 mm，接近理論計(jì)算值，驗(yàn)證了支架方案的可行性。

3.3 支架拆除

拆除順序遵從“由上到下，先搭后拆”的原則，利用吊車(chē)配合人工自凱旋門(mén)拱頂中線向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)拆除木質(zhì)模板及方木，然后拆除槽鋼拱肋和拱形骨架，拆除樁頂橫梁，最后分段切割拆除鋼管立柱和剪刀撐。支架拆除時(shí)需要有專(zhuān)人指揮拆除工作，直至拆除最后一層支架前，每完成一層拆除，需檢查支架是否穩(wěn)定，防止支架垮塌。同時(shí)，每完成一層支架拆除，安排施工人員清除支架材料。拆除時(shí)，混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以六律邕江特大橋?yàn)橐劳校榻B了系桿拱橋凱旋門(mén)式主墩墩頂現(xiàn)澆支架的結(jié)構(gòu)選型及施工要點(diǎn)，利用Midas Civil有限元軟件對(duì)支架受力進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，墩頂支架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足施工需要，驗(yàn)證了支架結(jié)構(gòu)的正確性及合理性，該支架能夠確保施工的安全。

參考文獻(xiàn)

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［4］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］.

［5］GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

收稿日期：2023-04-10