大跨度連續(xù)組合拱橋整體頂推施工臨時撐桿方案設計

陳 誠

（上海工程勘察設計有限公司，上海 200042）

1 概述

某跨江大橋主航道橋為組合梁－鋼拱組合體系拱橋，主梁連續(xù)，三跨拱肋支承于V墩上，跨徑組合為（188＋22＋188＋22＋188）m，橋?qū)?37.7 m（見圖1）。鋼拱系統(tǒng)由主拱、副拱、主副拱之間的橫向連桿，以及拱頂橫撐等構(gòu)件組成，材質(zhì)為Q345qD。主拱跨徑188 m，外傾12°，立面矢高43.784 m。副拱軸線為空間曲線，立面矢高33 m。主副拱之間的橫向連桿采用圓鋼管，間距8.5 m。拱橋主梁為組合梁，由鋼梁和混凝土橋面板組成，鋼梁材質(zhì)為Q345qD和Q345C，為主縱梁、中橫梁、端橫梁、小縱梁組成的雙主梁梁格體系，兩側(cè)主縱梁間距27.6 m，中橫梁間距4.25 m，混凝土橋面板厚26 cm。主縱梁內(nèi)部設系桿索。拱橋吊桿間距8.5 m，吊桿上端錨固于主拱，下端錨固于主縱梁。

圖1 主航道橋效果圖

2 頂推施工總體方案（見圖2）

根據(jù)橋梁方案特點及建橋條件，該橋采用鋼拱、鋼梁在岸上先期組拼為一體，利用頂推設備進行整體頂推的施工方法。該施工方法具有施工工期短、對通航影響少、施工臨時設備較少、總體經(jīng)濟性好、加工質(zhì)量容易得到保證、適應性強的特點。

主要施工流程如下：鋼拱、鋼梁，以及連接鋼拱、鋼梁的臨時撐桿在岸上先期組拼為梁拱組合體系，在梁拱組合體系端部安裝頂推導梁，利用在各個橋墩墩頂上設置的頂推設備進行多點同步整體頂推施工。頂推到位后，拆除臨時桿件，分批張拉吊桿，進行橋面板施工。

整體頂推利用了主橋永久墩PN2、PN1、PS1、PS2和北側(cè)引橋永久墩PN3～PN5，在這些橋墩墩頂上設置了頂推設備；引橋永久墩PN6上未設置頂推設備，不作為頂推支墩；PN6以北設置有三個岸上臨時墩PD1、PD2和PD3，岸上臨時墩上也設有頂推設備。為了減小頂推跨徑，在每個主橋永久墩中間設置一個水中臨時墩（分別為PLN1、PL0、PLS1），其上安裝頂推設備，頂推最大跨徑可減小為94 m。

梁拱組合體系的拼裝在岸上臨時墩上搭設的頂推平臺上完成。組拼成梁拱組合體系之后利用頂推設備進行多點整體頂推，途經(jīng)各永久墩和臨時墩，最終到達主橋橋位，完成頂推施工。

3 臨時撐桿設置的必要性

頂推施工時，橋面板尚未鋪設，主縱梁內(nèi)部的系桿索，以及拱、梁之間的吊桿均未安裝，鋼拱和鋼梁形成了一個梁拱組合體系。鋼拱、鋼梁形成的組合體系在整體頂推施工過程中，邊界支撐條件不斷發(fā)生變化，其受力狀態(tài)與成橋運營階段有較大的區(qū)別。其中，部分頂推狀態(tài)的結(jié)構(gòu)受力較為不利，有些頂推狀態(tài)甚至非常不利，如94 m的大懸臂狀態(tài)（見圖3）。

要保證任意頂推施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，不考慮施工臨時措施是不經(jīng)濟、不現(xiàn)實的。以94 m的懸臂狀態(tài)為例，試算表明，在不采取臨時措施的前提下，即使主縱梁高度從4 m增加到5 m，頂、底板板厚均增大到50 mm，主梁應力仍高達406 MPa，不能滿足規(guī)范要求。

圖2 頂推施工立面示意圖（單位：m）

圖3 大懸臂狀態(tài)（無臨時撐桿）主梁應力圖

可見，被動增大主體結(jié)構(gòu)截面是不可取的，應嘗試采用高效率、低代價的臨時措施。根據(jù)該橋的特點，設計考慮在鋼梁、鋼拱之間設置多個臨時撐桿，通過臨時撐桿的設置改變整個梁拱組合體系的受力形態(tài)，從而有效地改善主體結(jié)構(gòu)的受力性能，使梁拱組合體系整體頂推施工成為可能。

盡管臨時撐桿的設置會少量增加用鋼量，但卻避免了主體結(jié)構(gòu)因為頂推施工而額外增加大量鋼材，總體上保證了梁拱組合體系整體頂推施工的經(jīng)濟性。

4 臨時撐桿設置方案研究

為了使梁拱組合體系的受力在合理的范圍之內(nèi)，鋼拱、鋼梁之間需設置多個臨時撐桿。臨時撐桿的設置使得拱橋在頂推過程中具有了桁架橋的特點，改善了頂推過程中的受力性能。臨時撐桿的布置方式對鋼梁、鋼拱的受力影響較大。選擇合適的臨時撐桿形式，可以在鋼梁、鋼拱受力合理的情況下節(jié)省永久結(jié)構(gòu)和臨時桿件用鋼量。

設計中針對4種臨時撐桿布置方式進行了分析比選，如圖4所示。

頂推過程中鋼拱受力較小，不控制設計，故四種方案均采用相同的主拱斷面；頂推過程中鋼梁受力較大，為了將鋼梁的應力控制在合理的水平，根據(jù)其受力情況的差異，四種方案的主縱梁采用了不同的板厚。四種方案主縱梁、臨時撐桿的應力計算結(jié)果和用鋼量對比見表1。

圖4 臨時撐桿布置方式比選（僅示一個拱跨）示意圖

從表1可見，在主縱梁應力水平和臨時撐桿應力水平相當?shù)那疤嵯?，方?雖然比方案3的臨時撐桿用鋼量少，但主縱梁用鋼量多了941 t。綜合考慮主體結(jié)構(gòu)和臨時撐桿用鋼量兩個方面，方案3優(yōu)于方案1；方案3不論是主縱梁用鋼量還是臨時撐桿用鋼量都比方案2少，方案3也優(yōu)于方案2；方案4比方案3的主縱梁用鋼量少96 t，但臨時撐桿用鋼量增加了281 t。綜合考慮主體結(jié)構(gòu)和臨時撐桿用鋼量兩個方面，方案3略優(yōu)于方案4。

根據(jù)分析結(jié)果，方案3優(yōu)于其他布置方案。進一步的，在方案3的基礎上，考慮在靠近拱腳處再增設一根較小的臨時撐桿，可以使主梁受力進一步改善，由于增設的撐桿長度較小，撐桿的用鋼量沒有明顯增加。臨時撐桿的最終布置方案見圖2所見。根據(jù)設置位置的不同，臨時撐桿可分為A型、B型、C型三類。

表1 四種臨時撐桿布置方案比較表

5 臨時撐桿與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設計

5.1 節(jié)點基本構(gòu)造

頂推過程中，臨時撐桿既可能承受拉力也可能承受壓力，以承壓為主。從梁拱組合體系開始頂推到頂推到位，A型、B型、C型臨時撐桿的最大軸壓力分別達到 12 745 kN、6 754 kN、3 283 kN，最大軸拉力為4 593 kN、5 328 kN、1 388 kN。臨時撐桿對保證頂推過程的安全起著至關重要的作用，除了保證臨時撐桿本身的強度和穩(wěn)定性能外，還必須保證其在鋼梁、鋼拱上的節(jié)點構(gòu)造安全可靠。

為了方便頂推結(jié)束后的拆除工作，臨時撐桿與鋼拱、鋼梁之間采用銷鉸式連接構(gòu)造，即在主縱梁、主拱上設置耳板，臨時撐桿通過穿過耳板的銷軸與主縱梁、主拱進行連接，頂推結(jié)束后，拆除臨時撐桿，并將主縱梁、主拱上的耳板予以割除。

由于梁拱組合體系在頂推過程中可能受到橫向風的作用，從避免臨時撐桿節(jié)點在風載作用下產(chǎn)生橫向彎矩的角度來看，銷軸以橫橋向自由轉(zhuǎn)動為宜；但是，梁拱組合體系在恒載作用下以縱向受力為主，且縱向變形隨著支撐體系的變化不斷改變，從這個角度來說，采用順橋向可以自由轉(zhuǎn)動的銷鉸式連接構(gòu)造，能夠減少頂推過程中梁拱組合體系縱向變形引起的附加彎矩。

考慮到恒載是頂推過程中無法回避、一直存在的，而風荷載可以通過施工控制進行規(guī)避，或者通過輔助控制措施減小其影響。因此，臨時撐桿與主縱梁、主拱之間采用順橋向可自由轉(zhuǎn)動的銷鉸式節(jié)點構(gòu)造（見圖5）。

5.2 節(jié)點局部應力分析

圖5 臨時撐桿節(jié)點構(gòu)造

采用通用有限元程序，建立臨時撐桿節(jié)點空間模型，進行局部應力分析。本節(jié)以A型臨時撐桿與主梁相交節(jié)點為例，闡述節(jié)點局部分析要點和主要結(jié)論。A型臨時撐桿節(jié)點的有限元模型如圖6所示。

建模時縱向選取臨時撐桿節(jié)點兩側(cè)各6.375m范圍的主縱梁，橫向選取一半的橫梁。主縱梁一端固定，一端用于加載。橫梁約束其跨中斷面在橫橋向的位移。主縱梁加載端的內(nèi)力根據(jù)頂推施工過程總體受力分析得到。計算主要考慮了A型臨時撐桿軸壓力最大、軸拉力最大和橫向彎矩最大三種工況。

圖6 A型臨時撐桿梁上節(jié)點有限元分析模型

A型臨時撐桿梁上節(jié)點分析表明，在最不利工況，耳板與主縱梁頂板相交處最大應力集中值為214 MPa，大部分區(qū)域的應力均在160 MPa以內(nèi)；主縱梁頂板應力均小于160 MPa；主縱梁橫隔板最大應力集中值為266 MPa，大部分應力均在200 MPa以內(nèi)。

6 結(jié)語

梁拱組合體系整體頂推施工是一種新型的組合體系拱橋施工方法。為了保證梁拱組合體系在頂推施工過程中的受力滿足規(guī)范要求，可以采用在鋼拱、鋼梁之間設置臨時撐桿的施工臨時措施。設計時對臨時撐桿的布置方式進行了分析研究，并根據(jù)研究成果進行了臨時撐桿的方案設計。臨時撐桿的合理設置顯著改善了頂推過程中主體結(jié)構(gòu)的受力性能，確保了頂推施工的順利進行。

[1]邵長宇.大跨連續(xù)組合箱梁橋的概念設計[J].橋梁建設，2008，(1).

[2]Gerhard Hanswille.Composite Bridges Recently Built in Germany.Composite Bridges[C].Proceedings of the 3rd International Meeting.Madrid.2001.