預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管拱組合結(jié)構(gòu)滑移安裝施工方案

■ 周長路

1 工程概況

九龍崗特大橋鋼管拱橋墩上部結(jié)構(gòu)為（7 6+1 6 0+7 6）m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。鋼管拱計算跨徑1 6 0.0 m，矢跨比1/5，矢高3 2.0 m，拱軸線為二次拋物線（設(shè)計拱軸線方程Y=-0.0 0 5X2+0.8X），拱肋設(shè)置最大預(yù)拱度為0.1 4 m，施工矢高3 2.1 4 m（施工拱軸線方程Y=-0.0 0 5 0 2 1 8 7 5X2+0.8 0 3 5X）。施工時按施工拱軸線制作和拼裝。拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴形截面，截面高3.0 m，每肋由2根弦管組成，弦桿為Φ1 0 0 0 m m鋼管，由1 6 mm厚鋼板卷制而成，弦管間用1 6 mm厚鋼綴板連接，拱肋弦管及綴板內(nèi)填充C 5 5微膨脹混凝土。

拱肋鋼筋在工廠制作，為便于運輸，每條拱肋劃分為1 2個運輸段（不含預(yù)埋段、嵌補段）。運輸段最大水平長度1 6 m。拱肋管節(jié)接口避開吊桿孔位。每條拱肋上下弦管分別設(shè)1處灌注混凝土隔倉板和3 0道加勁鋼箍；腹板內(nèi)設(shè)3處灌注混凝土隔倉板，沿拱軸線均勻設(shè)置加勁拉筋，間距為0.5 m。兩品拱肋中心距1 2.5 m，之間共設(shè)1 1道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根Φ4 5 0 m m、厚1 2 mm主鋼管和3 2根Φ2 5 0 mm、厚1 0 mm連接鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填充混凝土。

主橋共設(shè)1 7組雙吊桿，吊桿間距8.0 m。吊桿采用P E S（F D）7-5 5型低應(yīng)力防腐拉索（平行鋼絲束）。吊桿外套復(fù)合不銹鋼管，配套采用L Z M 7-5 5型冷鑄鐓頭錨。吊桿上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座；下端錨于吊桿橫梁下緣固定底座。

2 安裝總體施工部署

本橋鋼管拱安裝總體施工方案：采用非橋位拼裝鋼管拱，然后采用連續(xù)頂推千斤頂在梁面滑移軌道上，將鋼管拱整體縱移就位。

在合蚌高鐵（7 6+1 6 0+7 6）m連續(xù)梁引橋五孔簡支梁范圍搭設(shè)鋼管樁拼拱支架，用汽車吊將鋼管拱拱肋逐段吊裝到支架上進(jìn)行焊接拼裝。鋼管拱拱肋、橫撐及其他配件在地面上分節(jié)段焊接到位后，由汽車吊將拱肋逐段吊裝到梁面鋼管支架上，吊裝拱肋時遵循左右、前后分別對稱的原則。

為了滿足工期要求，兩跨拱同時從兩端往中間施工，因此，節(jié)段運輸也將按吊裝順序進(jìn)行。

單跨拱安裝按如下步驟進(jìn)行：（1）確定架拱支架在地面上的具體位置，并澆筑混凝土擴大基礎(chǔ)；（2）安裝架拱鋼管支架及鋼管支架連接系、拉纜風(fēng)繩；（3）架拱鋼管支架檢查驗收合格后，進(jìn)行拱肋節(jié)段及橫撐安裝，邊安裝邊調(diào)整線形；（4）兩側(cè)拱肋對稱安裝（預(yù)留合攏段）；（5）安裝合攏段；（6）安裝橫撐；（7）整體焊接。

3 安裝計算模型和參數(shù)確定

3.1 計算參數(shù)

3.1.1 材料參數(shù)及截面特性

（1）材料參數(shù)。鋼管拱橋結(jié)構(gòu)主要采用Q 3 4 5 q D鋼材；貝雷梁片為國產(chǎn)3 0 0 0 m m×1 5 0 0 m m，1 6 M n鋼材；鋼管支架采用Q 2 3 5 q D鋼材；鋼絞線采用1 8 6 0級低松弛鋼絞線。計算模型中的鋼結(jié)構(gòu)材料參數(shù)按照規(guī)范選?。轰摌?gòu)件彈性模量E＝2.0 6×1 05M P a（鋼絞線E＝1.9 5×1 05M P a）；鋼構(gòu)件泊松比為0.3；鋼構(gòu)件線膨脹系數(shù)α＝1.2×1 0-5；鋼材容重ρ＝7 8.5 k N/m3。

（2）截面特性。結(jié)構(gòu)各桿件截面形式和特性參照設(shè)計圖紙選取。

3.1.2 荷載

（1）恒載。鋼拱及支架結(jié)構(gòu)自重按照實際質(zhì)量施加在結(jié)構(gòu)上。對于一些節(jié)點拼接板件，其質(zhì)量在桿系計算模型中不易模擬，通過對結(jié)構(gòu)桿系模型自重乘上自重系數(shù)來反映，使模型自重盡量與實際相吻合。

（2）活載。鋼管拱在縱向平移過程中的推動力按液壓頂推力計。

（3）附加荷載。風(fēng)力：按照T B 1 0 0 0 2.1—2 0 0 5《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第4.4.1條計算。溫度荷載：按照最低氣溫-1 0 ℃，最高氣溫3 0 ℃計算；左、右側(cè)鋼管拱溫差按照5 ℃考慮。

3.2 安裝計算模型及假定

采用M i d a s /C i v i l 2 0 0 6對鋼桁梁結(jié)構(gòu)建立空間桿系有限元模型（見圖1）。全橋離散為4 1 0 4個梁單元，6 9 5 2個節(jié)點。

邊界條件：（1）架設(shè)過程。鋼管拱架設(shè)施工過程中，約束拱腳處的各向位移，按完全固結(jié)考慮；鋼管拱與支架連接為豎向及橫向約束。（2）滑移過程。滑移過程中主要考慮鋼管拱橫向約束，計算其橫向抗風(fēng)、抗顛覆能力，確保鋼管拱在滑移過程中的安全穩(wěn)定。

計算采用以下假定：（1）計算模型中鋼管拱、鋼桁桿件均按梁單元模擬，鋼絞線按照拉索進(jìn)行等效模擬；（2）模型按照設(shè)計線形為初始狀態(tài)進(jìn)行計算；（3）施工過程計算時，新安裝的單元考慮其由于已安裝單元轉(zhuǎn)角引起的初始位移；（4）施工過程計算的荷載主要考慮自重、溫度、風(fēng)壓等正常施工荷載；（5）參照施工組織設(shè)計中的抗傾覆驗算結(jié)果，合攏段不施加其他強制外力；

（6）邊拱施工過程中，未考慮臨時約束構(gòu)件的變形和受力，根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果再對計算模型予以修正。

3.3 施工階段劃分

鋼管拱節(jié)段吊裝。鋼管支架拼裝完成并檢收合格后方可進(jìn)行鋼管拱節(jié)段吊裝，采用2臺3 0 0 t汽車吊進(jìn)行吊裝。汽車吊將鋼管拱節(jié)段吊至鋼管支架上固定，同時將拱肋與滑移系統(tǒng)連接。為保證吊裝到位后拱肋的穩(wěn)定性，每個吊裝段吊裝到位后在其對應(yīng)位置安裝橫撐。

安裝架設(shè)施工工況見表1，安裝完畢結(jié)構(gòu)模型見圖2。

表1 安裝架設(shè)施工工況序號 工況 持續(xù) 序號 工況 持續(xù)時間/d 時間/d 1 支架施工 3 0 1 0 安裝橫撐H 8 3 2 安裝A 1節(jié)段 3 1 1 安裝A 2節(jié)段 3 3 安裝A 1'節(jié)段 3 1 2 安裝A 2'節(jié)段 3 4 安裝橫撐H 2 3 1 3 安裝橫撐H 4 3 5 安裝A 5節(jié)段 3 1 4 安裝A 3節(jié)段 3 6 安裝A 5'節(jié)段 3 1 5 安裝A 3'節(jié)段 3 7 安裝橫撐H 1 0 3 1 6 安裝橫撐H 6 3 8 安裝A 4節(jié)段 3 1 7 安裝其他橫撐 1 0 9 安裝A 4'節(jié)段 3 1 8 加裝鋼絞線 1

先吊裝拱腳段，最后吊裝中間合攏段，對吊裝到位的拱肋進(jìn)行調(diào)整焊接。吊裝段對接、焊接完成后安裝其他橫撐。

鋼管拱吊裝時，應(yīng)對每一吊裝段進(jìn)行跟蹤測量，保證安裝線形滿足設(shè)計要求，吊裝線形幾何尺寸除滿足設(shè)計要求外，也應(yīng)根據(jù)原橋面吊索孔的施工誤差，在滿足設(shè)計要求的情況下，對上部拱進(jìn)行適量修整，以備后續(xù)吊索安裝順利進(jìn)行。

4 安裝計算結(jié)果分析

對九龍崗特大橋梁的安裝架設(shè)施工計算主要包括架設(shè)施工過程和滑移狀態(tài)計算。施工階段按該橋的安裝架設(shè)施工組織設(shè)計劃分，進(jìn)行計算。根據(jù)建立的計算模型、施工方法和階段劃分進(jìn)行計算，得到關(guān)鍵架設(shè)施工階段及滑移狀態(tài)內(nèi)力和位移結(jié)果。安裝架設(shè)施工過程中，需對實際施工臨時荷載進(jìn)行嚴(yán)格校核，使計算模型盡可能反應(yīng)實際施工狀態(tài)。

4.1 內(nèi)力計算結(jié)果

安裝架設(shè)施工階段，支架及鋼管拱體系桿件最大組合拉應(yīng)力為1 0 9.3 M P a，最大組合壓應(yīng)力為-3 5.7 M P a，小于Q 3 4 5 q D鋼材的軸向基本容許應(yīng)力（2 1 0 M P a）和彎曲基本容許應(yīng)力（3 1 5 M P a）；貝雷梁片桿件最大疊加拉應(yīng)力為1 5 5.6 M P a，最大疊加壓應(yīng)力為-1 1 5.3 M P a，小于1 6 M n鋼材的軸向基本容許應(yīng)力和彎曲基本容許應(yīng)力。安裝架設(shè)施工階段支架及鋼管拱受力滿足規(guī)范要求。

4.1.1 施工過程內(nèi)力計算結(jié)果

鋼管拱關(guān)鍵架設(shè)安裝施工階段內(nèi)力和應(yīng)力計算結(jié)果見圖3—圖5。支架桿件最大組合拉應(yīng)力為2 2.1 M P a，最大組合壓應(yīng)力為-2 1.4 M P a。

4.1.2 滑移階段結(jié)果

鋼管拱進(jìn)入滑移階段，解除支架約束自重力作用下，鋼管拱最大拉力為2 7 k N，最大壓力為-4 8.1 k N。在橋址環(huán)境整體升溫至3 0 ℃的溫度荷載作用下，鋼管拱最大組合拉應(yīng)力為1.9 MP a，最大組合壓應(yīng)力為-2.7 M P a，小于Q 3 4 5 q D鋼材軸向基本容許應(yīng)力（2 1 0 M P a）和彎曲基本容許應(yīng)力（2 4 0 M P a）。鋼管拱滑移階段自身結(jié)構(gòu)體系受力滿足規(guī)范要求。

滑移階段鋼管拱應(yīng)力及變形見圖6—圖9。

4.1.3 托架檢算

1 2片貝雷片在承重過程中的計算結(jié)果見圖1 0，最大應(yīng)力為1 2 9.9 M P a，滿足要求。

托架承重過程中計算結(jié)果見圖1 1，最大應(yīng)力為2 1 5.5 MP a，滿足要求。

4.1.4 滑移過程中拱肋相對位移檢算

九龍崗大橋鋼管拱縱向滑移采用液壓頂推方式進(jìn)行，滑移過程是整個鋼管拱施工中最難控制的一個環(huán)節(jié)，也是要求最高的一個環(huán)節(jié)。推進(jìn)進(jìn)程中要嚴(yán)格控制左右側(cè)拱肋相對位移，確?？v向滑移過程中結(jié)構(gòu)姿態(tài)及內(nèi)力符合結(jié)構(gòu)受力要求，確保結(jié)構(gòu)安全。特別對鋼管拱滑移過程中兩側(cè)拱肋相對位移進(jìn)行檢算（見圖1 2、圖1 3），兩側(cè)拱肋相對位移及應(yīng)力見表2。

表2 兩側(cè)拱肋相對位移及應(yīng)力相對位移量/最大拉應(yīng)力/MP a最大壓應(yīng)力/MP a mm（ma x） （m i n）1 0 2 7.6 -2 7.6 2 0 5 5.2 -5 5.3 3 0 8 2.8 -8 2.9 4 0 1 1 0 -1 1 1 5 0 1 3 8 -1 3 8 6 0 1 6 6 -1 6 6 7 0 1 9 3 -1 9 3 8 0 2 2 1 -2 2 1注：表中為模擬鋼管拱滑移過程中兩側(cè)拱肋在產(chǎn)生相對位移下的應(yīng)力值。

可見，當(dāng)鋼管拱滑移兩側(cè)拱肋錯位在8 0 mm時，橫撐最大拉應(yīng)力為2 2 1 M P a，壓應(yīng)力為-2 2 1 M P a。大于Q 3 4 5 q D鋼材的容許壓應(yīng)力（- 2 1 0 M P a）。鋼管拱縱向滑移過程中兩側(cè)拱肋的相對錯位對橫撐受力影響較大，因此，滑移過程中應(yīng)將相對位移量嚴(yán)格控制在7 0 mm及以下，且加強對兩側(cè)拱肋相對滑移量的監(jiān)測，及時對鋼管拱滑移姿態(tài)進(jìn)行校正。

4.2 位移計算結(jié)果

4.2.1 安裝架設(shè)階段位移

九龍崗特大橋上部結(jié)構(gòu)為鋼管拱，采用M I DA S軟件對鋼管拱架設(shè)安裝階段進(jìn)行模擬計算，安裝過程主要位移見圖1 4—圖1 6。

4.2.2 安裝架設(shè)階段支反力

安裝架設(shè)階段結(jié)構(gòu)支反力見表3。

4.3 抗傾覆驗算

九龍崗特大橋鋼管拱滑移過程中，采用液壓頂推，滑移過程中靠自重維持平衡，因此對滑移過程中的不利狀態(tài)進(jìn)行抗傾覆驗算。

4.3.1 重心確定

鋼管拱重心采用畫圖法進(jìn)行基本確定，正立面及側(cè)面分別進(jìn)行確定。重力G點的坐標(biāo)可基本確定為G（8 0 0 0 0，5 9 0 0，2 1 1 3 0），以小里程右側(cè)拱腳軸線中點為局部坐標(biāo)原點算起。

4.3.2 抗傾覆驗算

鋼管拱自重按照施工單位給定7 3 8 t，計算得鋼管拱橫向迎風(fēng)面積為（雙肋）1 0 5 9.2 8 m2，空氣容重1 1.5 N/ m3，分別采用4級和風(fēng)（風(fēng)速5.5 m/s、風(fēng)壓1 8.9 N/m2）和5級清風(fēng)（風(fēng)速7.9 m/s、風(fēng)壓3 9 N/m2）進(jìn)行檢算。

4、5級和風(fēng)下鋼管拱橫向抗傾覆系數(shù)分別為：

可見，4、5級和風(fēng)下橫向抗傾覆均滿足要求。

當(dāng)橋址環(huán)境風(fēng)力大于5級和風(fēng)后鋼管拱橫向抗傾覆系數(shù)較低，滑移過程中安全不能得到保證，應(yīng)采取5級和風(fēng)設(shè)防。

5 結(jié)論

（1）安裝架設(shè)施工階段，支架及鋼管拱體系桿件最大組合拉應(yīng)力為1 0 9.3 M P a，最大組合壓應(yīng)力為-3 5.7 M P a，小于Q 3 4 5 q D鋼材的軸向基本容許應(yīng)力（2 1 0 M P a）和彎曲基本容許應(yīng)力（3 1 5 M P a）；貝雷梁片桿件最大疊加拉應(yīng)力為1 2 9.9 M P a，最大疊加壓應(yīng)力為-1 1 5.3 M P a，小于1 6 M n鋼材的軸向基本容許應(yīng)力和彎曲基本容許應(yīng)力。安裝架設(shè)施工階段支架及鋼管拱受力滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 安裝架設(shè)階段結(jié)構(gòu)支反力k N序工況位置號立柱1 m a x 立柱2 m a x 立柱3 m a x 立柱4 m a x 拱腳左m a x 拱腳右m a x 1支架施工 1 6 0.5 2 1 9.4 2 1 9.4 1 6 0.5 2 安裝A 1節(jié)段 2 9 8.7 2 1 6.8 2 1 9.5 1 6 1.3 2 3 2.5 3 安裝A 1'節(jié)段 3 0 0.6 2 1 8.6 2 1 8.0 1 6 0.5 2 4 3.3 4 安裝橫撐H 2 2 6 2.8 2 1 3.7 2 1 9.8 1 6 4.1 4 1 3.2 5 安裝A 5節(jié)段 2 7 8.0 2 0 8.1 2 1 8.8 3 1 9.2 3 8 2.2 2 3 3.8 6 安裝A 5'節(jié)段 2 9 7.9 2 0 6.8 2 1 9.8 3 2 6.8 4 1 1.5 3 7 8.6 7 安裝橫撐H 1 0 2 9 9.7 2 0 6.4 2 0 9.5 3 5 6.7 3 5 8.9 3 8 4.4 8 安裝A 4節(jié)段 3 0 6.0 1 9 6.2 3 1 8.0 4 0 0.0 3 4 6.9 4 0 1.2 9 安裝A 4'節(jié)段 3 1 6.4 1 9 2.7 3 1 7.4 4 1 4.0 3 3 3.8 3 5 5.6 1 0 安裝橫撐H 8 3 1 5.5 1 9 3.0 3 4 0.7 4 2 8.8 3 3 5.2 3 5 0.1 1 1 安裝A 2節(jié)段 4 9 6.8 3 9 9.3 3 0 5.5 4 2 2.6 2 8 0.7 3 2 7.4 1 2 安裝A 2'節(jié)段 5 0 8.1 4 0 6.1 3 0 9.3 4 1 9.5 2 7 3.3 3 3 2.6 1 3 安裝橫撐H 4 5 4 2.9 4 3 6.1 3 0 9.7 4 1 9.4 2 6 4.1 2 9 5.3 1 4 安裝A 3節(jié)段 5 3 7.4 5 2 6.7 4 0 3.9 4 1 5.3 2 6 3.7 2 6 9.1 1 5 安裝A 3'節(jié)段 5 3 8.6 5 3 0.1 4 0 6.5 4 1 6.4 2 6 3.6 2 5 6.4 1 6 安裝橫撐H 6 5 3 7.4 5 5 8.6 4 3 5.2 4 1 6.0 2 6 4.1 2 6 6.3 1 7 安裝其他橫撐 4 8 0.4 6 3 8.7 4 5 7.2 4 8 2.3 5 3 0.6 5 2 3.7 1 8 加裝鋼絞線 4 8 0.4 6 3 8.7 4 5 7.2 4 8 2.3 5 3 0.6 5 2 3.7注：表中值分別為鋼管拱安裝架設(shè)過程中支架及拱腳處最大支反力。

（2）鋼管拱進(jìn)入滑移階段，解除支架約束自重力作用下，鋼管拱最大拉力為2 7 k N，最大壓力為-4 8.1 k N。在橋址環(huán)境整體升溫至3 0 ℃溫度荷載作用下鋼管拱最大組合拉應(yīng)力為1.9 M P a，最大組合壓應(yīng)力為-2.7 M P a，小于Q 3 4 5 q D鋼材的軸向基本容許應(yīng)力（2 1 0 M P a）和彎曲基本容許應(yīng)力（2 4 0 M P a）。鋼管拱滑移階段自身結(jié)構(gòu)體系受力滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（3）鋼管拱在恒載（自重）作用下的最大豎向撓度為1 0 mm，滿足要求。

（4）縱向滑移施工階段，鋼管拱橫向抗傾覆驗算滿足要求。當(dāng)風(fēng)力大于5級和風(fēng)時應(yīng)立即停止前移，對構(gòu)件體系進(jìn)行鎖死。進(jìn)入非工作狀態(tài)防風(fēng)，貝雷片上部鋼絲繩穿過拱肋吊桿孔拉緊縱向貝雷片，下部鋼絲繩連接貝雷片與橋面擋渣墻鋼筋。

（5）滑移過程中應(yīng)將相對位移量控制在7 0 m m及以下，且加強對兩側(cè)拱肋相對滑移量的監(jiān)測，及時對鋼管拱滑移姿態(tài)進(jìn)行校正。

[1] 朱紅兵，余志武，黃傳勝．大跨鋼管混凝土拱橋拱肋架設(shè)施工[C]．鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)分會第十一次年會，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，2 0 0 7．

[2] 劉承亮．萬州長江大橋鋼桁拱架設(shè)創(chuàng)新技術(shù)分析[J]．鐵道工程學(xué)報，2 0 0 9(9)：5 2-5 7．

[3] 羅濤，王滿妮．鋼管混凝土拱橋拱肋架設(shè)技術(shù)綜述[J]．科技信息（科學(xué)教研），2 0 0 8(1 6)：4 6 4．

[4] 夏煥文．重慶菜園壩長江大橋提籃鋼箱拱安裝測量控制[J]．江西測繪，2 0 0 9(1)：3 0-3 1，3 4．

[5] 韓勝利．月亮拱制造安裝控制技術(shù)[J]．市政技術(shù)，2 0 0 9(6)：1 4-1 8．

[6] 李艷，任德志，徐莉萍．基于虛擬樣機的鋼拱架安裝機構(gòu)的設(shè)計與仿真分析[J]．起重運輸機械，2 0 1 1(1)：3 2-3 6．