鋼管混凝土系桿拱橋大節(jié)段拼裝施工受力計(jì)算及關(guān)鍵施工技術(shù)研究

李 明，吳 凱

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司 長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210017）

鋼管混凝土系桿拱橋大節(jié)段拼裝施工受力計(jì)算及關(guān)鍵施工技術(shù)研究

李 明，吳 凱

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司 長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210017）

文章對(duì)鋼管混凝土系桿拱橋常見(jiàn)的幾種施工方法進(jìn)行介紹，分析各種施工方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)鋼管混凝土拱橋大節(jié)段拼裝施工過(guò)程中的受力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)該吊裝方法的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，通過(guò)在吊裝過(guò)程中采取必要的措施可以將大節(jié)段鋼拱肋產(chǎn)生的內(nèi)力和變形控制在合理的范圍內(nèi)。

鋼管混凝土系桿拱；施工技術(shù)；大節(jié)段拼裝；受力分析

鋼管混凝土系桿拱橋以其跨度大、結(jié)構(gòu)輕、造型美、 造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。尤其是通過(guò)系桿張拉可實(shí)現(xiàn)拱橋推力的自我平衡，解決了沿海地區(qū)軟土地基一般無(wú)法承受較大水平推力的問(wèn)題。鋼管混凝土系桿拱橋與連續(xù)梁橋、矮塔斜拉橋等其它橋梁相比，其梁高較矮，系桿在橫橋向位于拱肋下方，不占用車道位置，系桿頂面可高于橋面，因此可縮短引橋長(zhǎng)度，節(jié)約工程造價(jià)［1-3］。

近年來(lái)，在內(nèi)河航道升級(jí)改造中由于航道升級(jí)需增加橋梁凈空，而橋梁與老路相接時(shí)一般存在平交口和坡度限制，需要盡可能降低梁高，同時(shí)考慮到工程造價(jià)和景觀要求，鋼管混凝土系桿拱橋的優(yōu)勢(shì)顯得越發(fā)明顯。鋼管混凝土系桿拱橋橋型技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，特別是鋼管拱架結(jié)構(gòu)的拼裝是鋼管混凝土系桿拱橋施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)［4］。本文以蘇南運(yùn)河上某計(jì)算跨徑為111 m鋼管混凝土系桿拱為實(shí)例，對(duì)其關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 鋼管混凝土系桿拱橋施工方法

鋼管混凝土拱橋按拱肋和系桿的施工先后順序一般可分為“先梁后拱”和“先拱后梁”兩類不同的施工方法［5-6］，先梁后拱是先澆筑系桿混凝土后分段吊裝鋼管拱肋、泵送拱肋混凝土的一種方法，其施工過(guò)程中拱肋產(chǎn)生的水平推力始終由預(yù)應(yīng)力混凝土系桿平衡；而先拱后梁是先分段或整體拼裝鋼管拱肋和系桿勁性骨架形成穩(wěn)定的鋼拱架結(jié)構(gòu)，并泵送拱肋內(nèi)混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再采用懸吊式模板的方式澆筑系桿混凝土，在該施工階段其拱肋產(chǎn)生的水平推力均由勁性骨架和系桿臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)。

對(duì)比該兩類方法，先梁后拱的施工方法較常規(guī)，但施工現(xiàn)場(chǎng)要具備搭設(shè)系桿混凝土現(xiàn)澆和鋼管拱肋拼裝支架的條件，由于系桿混凝土現(xiàn)澆支架需在河中設(shè)臨時(shí)墩，并設(shè)置貝雷梁支架，既限制了通航寬度又降低了通航高度，施工期間存在較大的船撞風(fēng)險(xiǎn)，因此不適用于通航要求較高的跨河橋梁并；先拱后梁的施工方法則適用范圍較為廣泛，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件采用不同的施工方法，如在岸上拼裝成單片鋼拱架后整體吊裝，在岸上將左右兩片鋼拱架拼裝成整橋后吊裝，在岸上拼裝成整橋后采用大型船只浮拖過(guò)河、河中設(shè)臨時(shí)墩進(jìn)行大節(jié)段吊裝等，各施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

表1 先拱后梁各施工方案對(duì)比

2 鋼管拱肋吊裝過(guò)程受力計(jì)算和分析

大節(jié)段鋼管拱肋拼裝施工吊裝重量輕，對(duì)拼裝場(chǎng)地要求低，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形自由分段，能最大程度滿足船只正常航行，且大節(jié)段拼裝有效降低了臨時(shí)墩的船撞風(fēng)險(xiǎn)，吊裝過(guò)程安全性高，因此在上述4種主要的鋼管混凝土拱橋施工方法中，大節(jié)段鋼管拱肋拼裝是適用性最好、應(yīng)用最廣的一種。

為分析大節(jié)段鋼管拱肋拼裝過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，以蘇南運(yùn)河上一座下承式鋼管混凝土系桿拱為例進(jìn)行分析。該橋計(jì)算跨徑111 m，矢跨比1/5，矢高為22.2 m，拱軸線為二次拋物線。系梁采用箱形截面，梁高2.2 m，寬1.4 m；拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，每個(gè)鋼管外徑1.3 m，鋼管及腹板壁厚16 mm，內(nèi)充C40微膨脹混凝土，拱肋高度為3.0 m；每片拱設(shè)間距為5.0 m的吊桿19根，吊桿為剛性吊桿。

由于本橋位于城區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝場(chǎng)地小，對(duì)通航凈空要求高，經(jīng)綜合比較結(jié)合橋位處地形條件分3段采用大節(jié)段拼裝的施工方案。通過(guò)Midas Civil有限元軟件對(duì)該橋拼裝施工過(guò)程不同階段和狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型中鋼管拱肋、勁性骨架采用梁?jiǎn)卧M，剛性吊桿采用梁?jiǎn)卧退鲉卧M，共劃分62個(gè)單元，臨時(shí)墩約束采用“單向支承”進(jìn)行模擬，主要驗(yàn)算工況如下：

工況1，跨河段鋼管拱肋浮吊起吊過(guò)程中的受力狀態(tài)分析；

工況2，跨河段鋼管拱肋簡(jiǎn)支狀態(tài)受力分析（見(jiàn)圖5），即跨河段鋼管拱肋對(duì)接成功后，浮吊全部松開(kāi)，假定鋼管拱肋完全以簡(jiǎn)支狀態(tài)擱置在臨時(shí)墩上再進(jìn)行合龍口焊接；

工況3，跨河段鋼管拱肋鉸接狀態(tài)受力分析（見(jiàn)圖6），即跨河段鋼管拱肋對(duì)接成功后，浮吊全部松開(kāi)，同時(shí)跨河段鋼管拱肋與兩側(cè)拱肋頂緊成為近似鉸接狀態(tài)；

工況4，跨河段鋼管拱肋固結(jié)受力狀態(tài)分析（見(jiàn)圖7），即跨河段鋼管拱肋對(duì)接成功后，浮吊全部松開(kāi)，同時(shí)跨河段鋼管拱肋與兩側(cè)拱肋焊接成為固結(jié)狀態(tài)；

工況5，跨河段鋼管拱肋吊裝到位后，浮吊并不脫鉤，分別以30 t、50 t和80 t與臨時(shí)墩共同支撐跨河段鋼管拱肋，變形有限元圖見(jiàn)圖8。

圖5 跨河合龍段簡(jiǎn)支狀態(tài)下變形

圖6 跨河合龍段鉸接狀態(tài)下變形

圖7 跨河合龍段固結(jié)狀態(tài)下變形

圖8 跨河合龍段在浮吊保持作用狀態(tài)下變形

鋼管拱肋大節(jié)段吊裝施工過(guò)程模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，從表中各工況計(jì)算結(jié)果可看出：

表2 跨河段鋼管拱肋吊裝施工過(guò)程受力計(jì)算結(jié)果

（1）鋼管拱肋起吊及拼裝過(guò)程中穩(wěn)定系數(shù)均大于4，穩(wěn)定性滿足施工要求；

（2）跨河合龍段鋼管拱肋在吊裝過(guò)程中的應(yīng)力和變形均較小，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；

（3）簡(jiǎn)支狀態(tài)下鋼管拱肋產(chǎn)生的內(nèi)力和變形均較大，而鉸接和固接狀態(tài)下的內(nèi)力和變形較小，且兩者較為接近；

（4）當(dāng)浮吊與臨時(shí)墩共同支撐跨河段鋼管拱肋時(shí)，隨著浮吊起吊力的增大，跨河段鋼管拱肋撓度變形和應(yīng)力值不斷減小，可通過(guò)計(jì)算合理調(diào)整浮吊起吊力，使鋼管拱肋處于微變形和微應(yīng)力狀態(tài)；

（5）為避免大節(jié)段鋼管拱肋拼裝產(chǎn)生較大的內(nèi)力和變形，提高拼接誤差控制精度，在浮吊松鉤前應(yīng)采取可靠的臨時(shí)連接措施，以減小跨河段鋼管拱肋的內(nèi)力和變形，確保拱肋線形和結(jié)構(gòu)受力安全。

3 大節(jié)段拼裝施工技術(shù)要點(diǎn)

由于合龍節(jié)段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，大節(jié)段鋼管拱肋在拼裝施工時(shí)易出現(xiàn)內(nèi)力和變形較大的情況，且拱肋對(duì)接口縫隙要控制在5～10 mm，施工存在較大難度，施工中應(yīng)注意以下技術(shù)要點(diǎn)：

（1）合理選擇吊點(diǎn)，以減小拱肋的變形和內(nèi)力。確定合理的鋼管拱肋吊點(diǎn)位置，根據(jù)拱肋圖形，采用形心法、CAD或有限元分析軟件計(jì)算拱肋的重心，并由重心位置確定拱肋吊點(diǎn)的位置，吊點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在重心上方，以保持吊裝過(guò)程中拱肋的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)傾覆或反轉(zhuǎn)；同時(shí)吊點(diǎn)間的布置間距應(yīng)合理，盡可能減小拱肋吊裝過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。

（2）拼裝前進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量和端口余量。吊裝前應(yīng)對(duì)兩邊已安裝好拱肋端口截面上下緣控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并測(cè)量待拼裝的大節(jié)段鋼管拱肋兩端截面上下緣控制點(diǎn)坐標(biāo)。采用實(shí)測(cè)坐標(biāo)在繪圖軟件中進(jìn)行模擬拼裝，分析鋼管拱肋對(duì)接口誤差，同時(shí)計(jì)算出大節(jié)段鋼管拱肋拼裝時(shí)端部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和伸長(zhǎng)量，再對(duì)該大節(jié)段鋼管拱肋端口截面進(jìn)行余量切割。

（3）臨時(shí)連接勁性骨架。大節(jié)段鋼管拱肋吊裝到位進(jìn)行拼接時(shí)，應(yīng)先對(duì)系桿勁性固結(jié)進(jìn)行臨時(shí)連接，以平衡鋼管拱肋對(duì)接浮吊脫鉤后產(chǎn)生的水平推力，考慮封航時(shí)間較短，應(yīng)在系桿角鋼接口處采用精軋螺紋鋼筋、螺栓等快速連接方式。

（4）臨時(shí)墩墩頂拼接輔助措施。在臨時(shí)墩墩頂設(shè)置圓弧形底座，并在拱肋接口處設(shè)置碼板，測(cè)量并調(diào)整好標(biāo)高，備好調(diào)整用千斤頂，待大節(jié)段鋼管拱肋吊裝到位后再進(jìn)行微調(diào)。

（5）浮吊吊力的控制和脫鉤時(shí)機(jī)的確定。大節(jié)段鋼管拱肋吊裝到位后不能馬上松鉤，此時(shí)應(yīng)根據(jù)計(jì)算保證一定的起吊力，待將拼接口縫隙塞緊，并對(duì)碼板臨時(shí)焊接后再進(jìn)行脫鉤，使該段鋼管拱肋拼接時(shí)處于近似鉸接或固結(jié)狀態(tài)，以盡可能減小拼裝時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)力和變形。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼管拱肋大節(jié)段拼裝施工具有吊裝重量輕、場(chǎng)地適用性好、對(duì)通航影響小、安全性高等特點(diǎn)，通過(guò)在吊裝過(guò)程中采取必要的措施，可將大節(jié)段鋼管拱肋產(chǎn)生的內(nèi)力和變形控制在合理的范圍內(nèi)，因此該施工方法特別適用于內(nèi)河航運(yùn)繁忙的跨河鋼管混凝土系桿拱橋，是一種值得大力推廣的施工方法。

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圖7 橫橋向墩頂位移時(shí)程曲線

3 結(jié)論

（1）動(dòng)水壓力會(huì)改變橋梁的自振特性，且自振頻率會(huì)隨著水深的增加而減小。

（2）動(dòng)水壓力會(huì)增大橋梁的地震反應(yīng)，水深越大地震反應(yīng)也越大，尤其進(jìn)入塑性后，位移發(fā)展很快，在本工程中動(dòng)水壓力的影響最大可達(dá)40%以上。

綜上，處于深水中的高樁承臺(tái)連續(xù)剛構(gòu)橋在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)水壓力的影響。

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（收稿日期：2016-01-11）

Stress Analysis and Key Construction Technology of Steel Tube Concrete Arc Bridge with Large Segment Assembling Method

Li Ming, Wu Kai
（Key Laboratory of Health Examination and Diagnosis Technology for Long and Big Bridge, JSTI Group, Nanjing 210017, China）

This paper introduces several common construction method of steel tube concrete arc bridge, analyzes the main advantages and disadvantages of various construction methods. Combining with engineering practice the construction force of steel tube concrete arc bridge with segment assembling method is calculated, and key construction technologies of the hoisting method are studied. The results show the internal force and deformation can be controlled in a reasonable range by using necessary measures in hoisting process.

steel tube concrete arch bridge; construction technology; large segment assembling; stress analysis

U445.46

A

1672-9889（2016）05-0036-04

2015-11-07）

李明（1976-），男，江蘇無(wú)錫人，工程師，主要從事橋梁檢測(cè)、監(jiān)控和加固設(shè)計(jì)工作。