特大橋大跨度系桿拱施工方案設計

吳天恩

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855）

系桿拱結構是拱橋類型的一種，不僅具有拱橋的一般特性，而且融合了梁的優點，是拱受壓、梁受彎的結構性能的有機組合，可以同時具備拱和梁共同承受荷載，在橋梁整體架構上也顯得更為美觀，目前已經廣泛應用于鐵路、公路等橋梁結構設計中，并且隨著我國國民經濟發展和橋梁施工技術的不斷進步，系桿拱施工工藝和施工技術也在不斷創新發展[1-2]。根據系桿拱的定義，系桿拱結構施工是根據工程施工特點選擇拱和梁的施工順序以及整體結構承受載荷的提升等內容，而在成功案例中先拱后梁的施工方法較為常見[1，3]。對于特大橋大跨度系桿拱施工來說，想要達到預期承受荷載和橋梁美觀的效果，難點在于系梁和拱線控制、拱肋安裝精度控制，以及拱肋焊接工藝控制和拱的對稱性控制等“四控制”[1]。

1 工程概況

某特大橋位于廊坊龍河區域，工程選擇區域河道相對順直，河道斷面為單式斷面，河寬33 m，橋梁采用鋼管混凝土系桿拱進行跨越，工程設計線路與河道斜交角度為35°，根據工程設計，系梁全長148 m，計算跨度144 m，分為A、B 兩個節段，如圖1 所示。中間矢跨比f/L=1/5，拱肋立面投影矢高28.52 m（28.8×cos8），拱肋采用二次拋物線，拱肋面內方程為y=4×28.8（144xx2）/1442，拱頂處兩拱肋中心距7.884 m。其中拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面，每根拱肋的兩鋼管之間用δ＝20 mm 的腹板連接；結構布置采用剛性系梁剛性拱，梁端采用矩形斷面，普通短采用單箱三室預應力混凝土箱式截面；吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內，吊桿水平夾角在50.8～73.1°之間，橫橋向水平夾角為82°，吊桿間距為8 m，兩交叉吊桿之間的橫向中心距為341 mm，吊桿張拉端設置于拱肋端，吊桿內設磁通量傳感器以便對施工過程及后期吊桿應力進行長期監測，共計設置32 對吊桿；拱肋之間共設7 道橫撐，拱頂處設1 道一字型撐（外徑為1.5 m 的圓形鋼管），其余為6 道K 撐（外徑為1.5 m 及0.9 m 的圓形鋼管），鋼管內部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

圖1 系梁施工節段劃分示意圖

基于此，本橋系桿拱施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用鉆孔樁基礎＋鋼管柱貝雷片膺架法現澆施工，梁部分為中間A 節段52 m、兩側B 節段各48 m。系梁按3 節段、分段預壓，由中間向兩端方向對稱施工，先施工中間A 節段52 m，然后兩步施工兩側B 節段各48 m。

2 重點工程施工

2.1 系梁支撐體系施工

根據施工方案設計，系梁采用鉆孔樁基礎＋螺旋鋼管+貝雷梁支撐體系。支架體系從上往下布置依次為15 mm 竹膠板底模+（9 cm×9 cm）橫向方木（距墩中心9.2 m 內方木間距15 cm，其余方木間距為25 cm）+單層貝雷梁+雙拼工字鋼（2I63a）+砂箱+630 mm×10 mm鋼管立柱+混凝土系梁（長1 m，寬1 m，高0.5 m）+鉆孔灌注樁基礎（樁長為19 m）。系梁下部共設置14 排鋼管柱，每排均為5 根直徑630 mm 鋼管，鋼管底部設置直徑1 m、樁長19 m 的混凝土鉆孔樁基礎。鋼管柱跨度布置形式：12、6、15、6、15、6、15、6、15、6、15、6、12 m，共14 排，每排橫向間距3.9、3.65、3.65、3.9 m。橫向分配梁上搭設根據單層貝雷片梁。

2.1.1 鉆孔樁、系梁施工

鉆孔樁設計樁長為19 m，除頂部12 m 外，其余位置采用素混凝土樁基礎。樁頂12 m 范圍內：主筋12 m（其中0.5 m 伸入系梁），主筋為17 根HRB400Φ20，加強圈6 個HRB400Φ20，箍筋間距20 cm。鉆孔樁基礎頂系梁采用C30 鋼筋混凝土結構，高0.5 m，長1 m，寬1 m；混凝土上下層設直徑20 cm 防裂鋼筋網片，間距15 cm×15 cm。為防止壓裂破壞，側面直徑為12 mm 箍筋按照間距10 cm 布置，縱向配置7 根直徑16 mm 的鋼筋為構造筋。河中鉆孔樁共12 排、每排5 顆，共60 顆支撐樁，鉆孔樁施工采用反循環鉆機。鉆孔樁頂標高12.538 m，樁頂系梁頂標高13.038 m，系梁頂位于梁床以下20.2 cm。

2.1.2 支架預壓及預拱高調整

為檢驗搭設支架的基礎、底模、側模的強度、剛度及穩定性，消除混凝土澆筑前支架因基礎不穩定、底側模應力強度不均勻發生非彈性變形，在進行混凝土澆筑前需對搭設支架進行預壓檢測及調整。根據工程要求，預壓必須堅持：質量應當不低于最大施工荷載的110%，預壓順序為先A 后B、橫向先中線后兩側、縱向中心向兩端，A 段預壓時應介入B 段不小于2 m 等原則。全橋預壓采用砂袋預壓。根據預壓檢測結果對支架發生的彈性形變及非彈性形變進行評估，并且根據評估結果調整系梁底模標高設置預拱高，以確保施工橋梁的梁體線形滿足設計要求。

2.2 預埋件埋設

預埋件埋設主要包括拱腳節段預埋、吊立桿預埋、以及其他預埋件埋設：①拱腳預埋骨架，根據設計圖紙拱肋坐標，焊接定位拱肋支架，拱肋支架間距50 cm，拱肋頂部2 m 范圍的拱肋支架高出拱肋50 cm，拱肋定位準確后將拱肋支架焊接成整體，防止澆筑拱肋混凝土時拱肋上浮、偏移；②系梁吊桿預埋共計16 對，吊力桿預埋鋼管時應嚴格控制預埋孔位的角度，安裝時采用角度尺粗調，全站儀精調，確保預埋角度精確；③施工時應根據接觸網圖紙埋設接觸網預埋件、接觸網橋面加強鋼筋、拉線預埋件、拉線橋面加強筋，還應注意電纜槽托架套筒預埋，泄水孔、通風孔、綜合接地、防護墻、豎向，經計算拱肋支架基礎處還需增加橋面加強筋等的預埋。

2.3 拱肋施工

待拱肋支架搭設驗收完成，并經支架預壓檢測修正后，將分段加工完成的拱肋進行預拼，其目的是對其跨徑、拱軸線、水平度（拱軸線橫向偏移）及吊桿位置準確性進行全面檢查，最大限度地消除拱肋節段的加工偏差，為工地吊裝做好準備。拱肋的安裝主要包括起吊→就位→連接→精確調整→點焊固接→調整拱肋線型→安裝橫撐→焊接→探傷檢測。通過計算，拱肋最大重量為35.467 t，最大起吊高度38.5 m，最大工作半徑12 m，根據需求選擇200 t 吊車，直徑30 mm、鋼絲強度極限值2 000 N/mm2的鋼絲繩進行吊裝。拱肋吊裝采用雙點起吊，在吊裝過程中要對主拱線形進行復測，以便滿足安裝精度，待吊裝后焊接完成后，對拱肋所有焊縫進行攤上，補漆。拱肋內混凝土分3 次頂升施工，首先對稱灌注拱肋下管混凝土，待下管混凝土達到設計要求100%后，對稱灌注拱肋上管混凝土；上管混凝土灌注達到設計強度100%后，對稱灌注拱肋腹腔混凝土；待混凝土強度達到設計強度的80%后，應將導管外露部分切除，并將從該處切割下來的圓板再焊接回原位（去掉熱力影響范圍2～3 mm）并打磨平順。

3.4 吊桿安裝及張拉

吊桿按尼爾森體系布置，在吊桿平面內，吊桿水平夾角在50.8～73.1°之間，吊桿縱向間距為8 m，兩交叉吊桿之間的橫向中心距離為0.341 m，吊桿均采用127 根Φ7 高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES（FD）低應力防腐索體，并外包不銹鋼防護。吊桿張拉端設置于拱肋端。吊桿內設磁通量傳感器以便對施工過程及后期吊桿應力進行長期監測，全橋共設32 對吊桿。安裝工藝流程：①待主梁及拱肋施工完成后，利用拱下支架，在拱肋頂上搭設施工平臺，作為導向滑車固定支架，在橋面布置提升卷揚機；②吊桿進場后，將吊桿運輸至安裝位置；③提升卷揚機鋼絲繩經滑車導向后，沿拱肋端索導管下放至橋面，與吊桿拱肋端連接；④提升拱肋端錨頭至拱肋端索導管口處，施工人員通過手拉葫蘆調整吊桿角度，輔助吊桿錨頭穿過拱肋端索導管，用錨頭螺母錨固；⑤安裝梁端錨頭并用螺母錨固；⑥根據監控指令，對吊桿進行張拉；⑦橋面系鋪裝完成后，進行全橋索力調整。吊桿張拉完成后，應當對吊桿的錨具、索道管等進行防護。

3 預應力工程

3.1 設備選擇

縱向預應力筋采用高強度低松弛鋼絞線，抗拉標準強度1 860 MPa，公稱直徑15.2 mm，公稱截面積140 mm2。預應力筋張拉力根據設計要求的控制應力計算：P=張拉控制應力×預應力筋截面積。

縱向鋼束及橫向圓錨最大規格為15～15.2 mm，張拉控制應力1 302 MPa，張拉力P=15×140×1 302/1 000=2 734.2 kN（279 t），為安全可靠，選用1.2～1.5 倍張拉能力設備在334.8～418.5 t 中間，張拉設備選用400 t（1.43 倍）穿心式千斤頂和與之配套的油泵。

橫向扁錨張拉應力1 302 MPa，張拉力P=1×140×1 302/1 000=182.28 kN（18.6 t）。為安全可靠，選用1.2～1.5 倍張拉能力設備在22.32～27.9 t 中間，張拉設備選用25 （t1.34 倍）穿心式千斤頂和與之配套的油泵。

3.2 理論伸長值及實際伸長量計算

預應力筋張拉前應計算每一束預應力筋的伸長值，作為張拉時與預應力筋實際伸長值的對比依據。其張拉程序為0→0.1σk→0.2σk→σk（量伸長值）持荷5 min→錨固并測定回縮量。可按下式計算復核

式中：Pp為張拉力，N；L為預應力筋的長度，mm；Ap為預應力筋的截面面積，mm2；Ep為預應力筋的彈性模量，N/mm2。

鋼束張拉采用雙控措施，預施應力值以油壓表讀數為主，以預應力筋伸長值進行校核。預應力筋張拉的實際伸長值△L，按照下式計算

式中：X為張拉至σk時的伸長量，mm；X1為張拉至0.1σk時的伸長量，mm；X2為張拉至0.2σk時的伸長量，mm。

3.3 張拉次序

3.3.1 縱向預應力張拉順序

A 段混凝土強度達到設計值95%，彈性模量達到設計值100%，且齡期不小于7 d 后，張拉縱向預應力鋼束T2、B2；B 段凝土強度達到設計值95%，彈性模量達到設計值100%，且齡期不少于7 d 后，張拉剩余縱向預應力鋼束，其中G1-G3 鋼束單端張拉。

3.3.2 橫向預應力張拉順序

N1、N2、N4-N6 在系梁養護達到14 d 后進行張拉，N3、N7 在系梁養護達60 d 后張拉，預應力鋼束在張拉完成后及時壓漿封錨；鋼束張拉順序為N5-N4-N1-N6-N3-N7。

3.4 張拉工藝

預施應力采用雙控，以張拉力控制為主，預應力筋伸長值作校核。預應力筋的張拉應從零拉力加載至初拉力，測量伸長值初讀數，再分級以均勻速度加載并測量伸長值至張拉控制力，達到張拉控制力后，宜持荷5 min。預應力筋在張拉控制應力達到穩定后方可錨固。

3.5 孔道壓漿

終張拉完畢后48 h 內完成孔道壓漿。壓漿工藝應符合下列規定：①壓漿順序先下后上，曲線孔道宜從最低點的壓漿孔壓入，由最高點的排氣孔排氣或泌水。②壓漿前應清除梁體孔道內的雜物和積水。③同一孔道壓漿應連續進行，一次完成。④壓漿時的漿體溫度應在5～30 ℃之間，壓漿時及壓漿后3 d 內，梁體及環境溫度不低于5 ℃，否則應采取保溫措施，以滿足要求。壓漿過程中，應防止漿液噴撒到行車道路上，污染路面。

4 結束語

該工程為系桿拱橋，粱部采用支架施工，拱部在梁上搭設支架逐段拼裝，橋梁的形成要經過一個較為復雜的過程，施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，且這種相互影響又有差異，這就造成各階段結構的位移隨著施工過程變化而偏離設計值的現象，甚至超過設計允許的位移。為了能夠對工程變化及形變進行及時發現、控制和調整，必須構建完善的監控系統，對橋主梁的撓度、應力等施工控制參數進行實時監控，保證成橋后主梁線形、結構內力狀態等符合設計要求。