中承式鋼桁架系桿拱橋設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

張大鵬

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

國內(nèi)一些學(xué)者對中承式鋼桁架拱橋進(jìn)行了一些研究，如蔡亮[1]、周超舟等[2]以某橋梁為研究對象，分析了該橋的結(jié)構(gòu)特點和施工技術(shù)難點，總結(jié)了主橋上部結(jié)構(gòu)的施工控制方法，論述了體外預(yù)應(yīng)力束張拉控制過程，分析了拱座附近混凝土拱肋的裂縫成因；田仲初等[3]、孟續(xù)東[4]以廣州飛燕式增城大橋為研究對象，通過方案對比確定了最優(yōu)系桿張拉方法，使主橋受力最合理且穩(wěn)定性滿足要求；施力可[5]、劉丹等[6]以某鋼桁拱梁施工為例，采用拱上起重機(jī)結(jié)合斜拉扣掛系統(tǒng)的半伸臂架設(shè)方法，結(jié)合施工全過程有限元分析，闡述了通過預(yù)偏預(yù)降方法實現(xiàn)邊墩精確上墩，主拱及剛性系桿無應(yīng)力快速合龍施工技術(shù)，為同類型鋼梁施工提供了有力參考；榮學(xué)文[7]、常怡敏[8]以西安市藍(lán)田霸河大橋中承式鋼管混凝土系桿拱橋鋼拱肋架設(shè)為例，通過對拱內(nèi)混凝土澆筑、系橫梁預(yù)應(yīng)力張拉、吊桿張拉等關(guān)鍵施工過程的工藝介紹對每個施工階段相應(yīng)的技術(shù)難點進(jìn)行了分析研究，并在工程建設(shè)過程中得到有效應(yīng)用；駱雙全[9]、竇勇芝[10]結(jié)合某中承式鋼管混凝土桁架拱橋維修加固工程實例，針對某類吊桿拱橋維修加固中由于受原結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸制約等問題，考慮采用舊吊桿兩側(cè)新增吊桿替代舊吊桿加固的思路，并介紹了新增吊桿加固關(guān)鍵設(shè)計要點。雖然有關(guān)文獻(xiàn)已對中承式鋼桁架拱橋進(jìn)行了一定的研究分析，然而，由于本文研究對象屬于大跨度鋼桁架拱橋，其具有結(jié)構(gòu)體系要經(jīng)過多次受力轉(zhuǎn)換、關(guān)鍵節(jié)點受力大、施工精度要求高、施工控制要求嚴(yán)格等難點，對其設(shè)計和施工關(guān)鍵技術(shù)研究很有必要。

1 工程概況及地質(zhì)條件

橫琴二橋是珠海市打造珠江口西岸交通樞紐城市的重點工程，是貫穿珠海全市重要的交通大動脈。橫琴二橋采用的是中承式鋼桁架系桿拱橋，項目位于珠海市西南部，路線北起洪灣，設(shè)置紅東互通立交，紅東互通匝道落地后連接南灣大道延長線。主線起點樁號K0+970(右線)，對接洪灣樞紐互通立交，并通過洪灣樞紐互通立交向北接廣珠西線、向東連接港珠澳大橋珠海側(cè)接線、向西連通洪灣—鶴洲高速公路。路線向南跨越馬騮洲水道到達(dá)橫琴新區(qū)，之后路線高架于在建環(huán)島西路(F號路，環(huán)島西路中段、南段)之上，主線由北向南分別上跨濱海大道、環(huán)島北路、中心路、中心南路，終點位于中心南路附近處，并設(shè)置橫琴互通匝道落地后通過橫琴二線口岸后連接中心南路，路線全長6.806km。其中，主橋為雙向6車道公路橋，起始范圍為K2+089—K2+689，全長600m，主橋線路平面全部位于直線上。主橋上部結(jié)構(gòu)為跨度(100+400+100)m的鋼桁拱架，主桁橫向中心間距36m，拱肋下弦矢高90m，拱頂處拱肋上、下弦的桁高7m，邊墩處桁高11m，節(jié)間長度分別為12，14，16m。橋面采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的結(jié)構(gòu)形式，橫梁間距12～16m，次縱梁間距4m，預(yù)制混凝土橋面板厚26cm，通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。橋面采用9cm厚瀝青混凝土鋪裝，主橋600m范圍內(nèi)橋面連續(xù)，不設(shè)置斷縫。主橋航道等級為I級航道，通行3 000t海輪；通航水位為3.102m，設(shè)計水位為3.306m；通航凈空為單孔雙向通航，330m×28m；運(yùn)營狀態(tài)橋面處最大風(fēng)速25m/s，百年一遇基本風(fēng)速38.4m/s。主橋立面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

擬建場地灘涂、水塘等平坦低洼地帶地表土層中普遍存在10～30m厚軟土層，主要為海相沉積和海陸交互相沉積淤泥、淤泥質(zhì)土，該層層位極不穩(wěn)定，分布不均勻，土質(zhì)軟，飽和，呈軟塑～流塑狀，靈敏度高、強(qiáng)度低、觸變性高，含有機(jī)質(zhì)，極易造成填方路堤的失穩(wěn)和不均勻沉陷。

2 主要設(shè)計方案

2.1 主橋約束體系

本橋約束體系采用簡支連續(xù)梁體系，小里程側(cè)(北引橋側(cè))采用固定支座，其余各墩均設(shè)置單向或多向活動支座，中支座豎向承載力140 000kN，邊支座豎向承載力30 000kN。橫向活動支座處設(shè)置速度鎖定器，在地震作用下橫向約束。全橋支座布置如圖2所示。

圖2 全橋支座布置(單位：m)

2.2 平縱聯(lián)

拱肋上弦在A6～A6′節(jié)點間設(shè)置上平聯(lián)。上平聯(lián)采用米字撐，除與上橋門架相連的A6節(jié)點處的撐桿采用箱形桿件外，其余桿件均采用外高560mm的工字形桿件，桿件板厚10～24mm。拱肋下弦及邊跨下弦設(shè)置下平聯(lián)。下平聯(lián)橋面以上部分采用米字撐，除與下橋門架相連的G11節(jié)點處的撐桿采用箱形桿件外，其余桿件均采用外高560mm的工字形桿件，桿件板厚10～24mm；邊跨下弦每2個節(jié)間設(shè)1個X形撐，桿件采用外高750mm的工字形桿件，桿件板厚16～28mm。

2.3 橋面系

本橋采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的橋面系結(jié)構(gòu)形式，橫梁間距12～16m，次縱梁間距4m，預(yù)制混凝土板厚26cm，通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。橋面上采用9cm厚瀝青混凝土鋪裝。主橋600m范圍內(nèi)橋面連續(xù)，不設(shè)置斷縫。

1)鋼橫梁 鋼橫梁采用箱形和工字形2種截面形式。為了加強(qiáng)拱肋上、下弦與橋面系的聯(lián)系，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，拱肋上、下弦與橋面相交位置的E9節(jié)點橫梁以及中墩對應(yīng)橋面位置的E7節(jié)點橫梁均采用箱形截面。為增強(qiáng)邊跨橫梁抵抗部分面外彎矩的能力，邊跨及中跨的E1～E6，E8，E10～E12，E17節(jié)點橫梁端部均采用箱形截面，跨中采用工字形截面。其余位置的橫梁(E13～E16，E18～E23)梁端及跨中均采用工字形截面。

2)次縱梁 橋面橫向按4m等間距布置9道次縱梁，縱梁高1.3m，采用工字形截面。一端采用長圓孔，在所有次縱梁安裝完成之前，采用長圓孔與橫梁連接，可縱向活動，以減小橫梁面外內(nèi)力及自身應(yīng)力，在鋪混凝土板前，終擰高強(qiáng)螺栓。

3)混凝土橋面板 橋面板采用C60部分預(yù)應(yīng)力混凝土板，厚26cm，平面分塊尺寸為4m×(12～16)m，每塊板內(nèi)布置8束2-7φ5或3-7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)制混凝土橋面板鋪設(shè)在縱橫梁頂面，由跨中向兩邊逐段安裝、逐段澆筑濕接縫、并張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力束。

2.3.1系桿

在充分發(fā)揮鋼系桿承受水平推力的前提下，本橋采用剛性系桿和柔性系桿共同受力的混合系桿。剛性系桿主要指邊縱梁，采用鋼結(jié)構(gòu)，H形截面，高2.1m、寬1.6m，板厚50mm，它與橫梁相連，傳遞橋面荷載產(chǎn)生的剪力和拱腳間巨大的水平推力。除2道邊縱梁外，橋面9道次縱梁也承受部分由混凝土板自重、橋面鋪裝及活荷載等使用荷載所產(chǎn)生的水平力。柔性系桿采用鋼絞線系桿索，其抗拉強(qiáng)度比主體結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度大很多，因而能節(jié)省鋼材，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的，此外柔性系桿力還能減小主拱縱向變形，使桿件受力更合理。另外，本橋采用混凝土橋面板，為了保證混凝土橋面板不全斷面受拉，也需利用柔性系桿的拉力來平衡橋面鋪裝及活荷載所產(chǎn)生的水平推力。系桿縱向布置如圖3所示，系桿錨固如圖4所示。

圖3 系桿縱向布置(單位：m)

圖4 系桿錨固示意

本橋柔性系桿為61孔可換索式系桿，索體為鍍鋅鋼絞線索，采用抗拉強(qiáng)度為1 860MPa級φ15.24鋼絞線，在每側(cè)設(shè)置4根系桿，均集中錨固在E9節(jié)點附近的縱梁內(nèi)，錨固如圖4所示。鋪混凝土橋面板前每側(cè)張拉10 000kN，橋面板濕接縫澆筑完成后，每側(cè)張拉15 000kN，總索力25 000kN。

2.3.2吊桿

吊索及錨具采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670MPa的鍍鋅平行鋼絲成品吊桿系列。吊桿布置如圖5所示，采用雙吊桿體系，全橋共108根吊桿。D1～D6采用 PES7-109型吊桿，D7～D14采用PES7-91型吊桿，吊桿長度為6.837～59.24m。

圖5 吊桿布置(單位：m)

吊桿上錨固端采用耳板式接頭，吊桿的下錨固端采用帶球冠墊塊的冷鑄錨，能有效減小次應(yīng)力，錨點外露在橋面以上，不易積水，便于養(yǎng)護(hù)檢查。吊桿在下錨固點張拉。吊桿在拱肋下弦及縱梁上的錨固構(gòu)造如圖6所示。

圖6 吊桿及錨固構(gòu)造

2.3.3橋墩及基礎(chǔ)

1)橋墩 主墩及邊墩均采用雙柱式矩形截面橋墩，四角圓倒角，其中主墩截面尺寸為9m×9m，墩高均為8.5m；邊墩截面尺寸為5m(順橋向)×7m(橫橋向)，墩高分別為17.5m(珠海市區(qū)側(cè))、18.5m(橫琴島側(cè))。

2)承臺 主墩承臺橫橋向設(shè)2個承臺，橫向用2m×3m混凝土系梁相連，共同承受橫橋向水平力。每個承臺為矩形截面，四角設(shè)φ1.0m圓倒角，順橋向長度17m，橫橋向長度21.5m。承臺厚度為5m，其頂部設(shè)2m×2m倒角。因承臺受力較大，在其底面布置3層φ32鋼筋，頂面及四周側(cè)面均布置有構(gòu)造鋼筋，中間布置有架立鋼筋。主橋邊墩采用分離式矩形承臺，四角設(shè)圓倒角。

3)基礎(chǔ) 主墩采用2個承臺，每個承臺下設(shè)12根φ2.5m鉆孔灌注樁，行列式布置，樁底嵌入中風(fēng)化花崗巖(fak=1 500kPa)3.5m，按柱樁設(shè)計。樁基鋼筋籠主筋為2根1束φ32鋼筋。鉆孔樁及承臺采用強(qiáng)度等級為C45水下混凝土。邊墩基礎(chǔ)采用分離式群樁基礎(chǔ)，每個承臺下設(shè)9根φ1.8m鉆孔灌注樁，行列式布置。樁底均嵌入中風(fēng)化花崗巖(fak=1 500kPa)2.2m，按柱樁設(shè)計。鉆孔灌注樁及承臺采用C45水下混凝土，主墩基礎(chǔ)采用鋼吊箱圍堰施工。

3 施工特點與難點分析

橫琴二橋由于其工程地點重要、地質(zhì)情況復(fù)雜、施工條件苛刻以及技術(shù)要求高等特點，在施工過程中具有以下難點：①橫琴二橋毗鄰澳門，屬于珠海市的地標(biāo)性建筑，外觀質(zhì)量、環(huán)保要求極高。②主墩地質(zhì)復(fù)雜，存在不同深度的淤泥層、砂層，且承臺范圍內(nèi)存在大量拋石，極難清理，主墩樁基、承臺施工難度大。③在不同方面屬于國內(nèi)同類型橋梁之最；主桁橫向中心間距36m，間距最大；單根桿件最大質(zhì)量為128.3t，單吊重最重。④地處濱海地區(qū)，臺風(fēng)季節(jié)長，降雨總量大，且過于集中，汛期持續(xù)時間長，海水潮汐不均勻正規(guī)，潮差很大；氣候?qū)κ┕すて诤褪┕ぐ踩珟淼膲毫Ψ浅４?。⑤施工水域航道為Ⅰ級航道，航運(yùn)繁忙。施工作業(yè)與航運(yùn)之間的矛盾十分突出，航道維護(hù)和占用問題將會對大橋施工方案的選擇、工程施工進(jìn)度產(chǎn)生重大影響。⑥技術(shù)要求高，安全質(zhì)量控制難度大。橫琴二橋?qū)儆诖罂缍蠕撹旒芄皹颍Y(jié)構(gòu)體系要經(jīng)過多次受力轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵節(jié)點受力大，施工精度要求高，施工控制要求嚴(yán)格；結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量多、拼裝螺栓數(shù)量巨大，拼裝工序復(fù)雜，施工周期長；主拱所有拼裝過程均屬高空作業(yè)、施工工作面狹窄，操作工序多，施工安全風(fēng)險大。安全質(zhì)量控制難度大。⑦有效工期短，任務(wù)極重。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 下部結(jié)構(gòu)施工方案

4.1.1樁基礎(chǔ)施工方案

根據(jù)主橋位處地質(zhì)狀況及樁長情況，北岸主墩樁基成孔擬采用大型回旋鉆機(jī)，其他主引橋樁基成孔擬采用沖擊鉆。主要施工步驟為：橋墩處覆蓋層清理→利用門式起重機(jī)搭設(shè)鉆孔平臺→鉆孔施工。

4.1.2承臺施工方案

主墩采用鎖扣鋼管樁圍堰，邊墩采用鋼板樁支護(hù)。鉆孔灌注樁施工完畢，打設(shè)鋼管樁圍堰，清淤至封底混凝土底標(biāo)高并進(jìn)行水下混凝土封底，待封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，抽水并進(jìn)行圍堰內(nèi)支撐，綁扎承臺鋼筋及安裝冷卻水管，安裝承臺模板，承臺混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)等。陸上鋼板樁打設(shè)完成后，向下開挖到設(shè)計的支撐位置后，進(jìn)行圍堰內(nèi)支撐作業(yè)，再繼續(xù)向下開挖至封底混凝土底，注意預(yù)留集水井，綁扎承臺鋼筋及安裝冷卻水管，安裝承臺模板，承臺混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)。

4.1.3墩身施工方案

墩身施工的施工工藝主要為：施工放樣和監(jiān)測→墩身底部承臺面鑿毛→墩身鋼管支架搭設(shè)→墩身鋼筋加工和綁扎→墩身模板加工及安裝→墩身混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)及拆模。

4.1.4門式墩主要施工方案

根據(jù)地質(zhì)情況和門式墩荷載情況，確定基礎(chǔ)采用Q235φ600×10鋼管樁基礎(chǔ)，樁長40m，為使樁能承受較大的錘擊應(yīng)力，在管接口外側(cè)加焊1條寬200～300mm、厚6～12mm的加強(qiáng)箍，防止樁端變形損壞。支架采用φ600×10鋼管，鋼管每段標(biāo)準(zhǔn)段為6m，平面布置為橫、縱橋向3m，每根立柱上設(shè)2道I40b橫梁，橫梁上設(shè)置3組貝雷片作為縱梁，每組貝雷片由2排貝雷片組成。采用90cm花架連接。貝雷片上設(shè)置I20，間距為30cm。I20上面設(shè)置碗扣式滿堂支架，其外徑為48mm，壁厚3mm，支架間距為30cm×60cm，步高60cm。

4.2 主橋上部結(jié)構(gòu)施工方案

4.2.1桁拱安裝方案

桿件運(yùn)輸與安裝如圖7所示，1～3號節(jié)間采用跨墩門式起重機(jī)拼裝，其他節(jié)間采用拱上全回轉(zhuǎn)自行式架梁吊機(jī)拼裝。

圖7 桿件運(yùn)輸與安裝示意

4.2.2鋼構(gòu)件制作、預(yù)拼、存放

在廠家內(nèi)完成鋼構(gòu)件的加工、制作、預(yù)拼、涂裝，施工現(xiàn)場進(jìn)行桿件的存放和補(bǔ)涂裝。

4.2.3安裝步驟

主橋上部結(jié)構(gòu)的施工主要有11個步驟，其中安裝步驟1～10的詳細(xì)施工如圖8所示。各步驟為：①步驟1 邊跨在1，2，4號節(jié)點處設(shè)置3個臨時墩，跨墩門式起重機(jī)作業(yè)范圍為1～3號節(jié)間。②步驟2 2號節(jié)間利用跨墩門式起重機(jī)安裝，待2號節(jié)間安裝完畢后，在其上安裝架梁吊機(jī)。③步驟3 利用架梁吊機(jī)安裝3，4號節(jié)間。④步驟4 分為3部分，即架梁吊機(jī)從2號節(jié)間爬行至4號節(jié)間，安裝5號節(jié)間，利用跨墩門式起重機(jī)安裝1號節(jié)間，進(jìn)行主橋端部鋼筋混凝土門式墩施工。⑤步驟5 分為3部分，即架梁吊機(jī)行至5號節(jié)間，安裝6號節(jié)間，架梁吊機(jī)行至6號節(jié)間，安裝主墩支座、位移，調(diào)整裝置及7號節(jié)間。⑥步驟6 橋面吊機(jī)安裝1～7號節(jié)間橋面板。⑦步驟7 分為3部分，即依次懸拼8～16號節(jié)間，9～16號節(jié)間安裝期間完成扣塔安裝，在16號節(jié)間安裝1號背索。⑧步驟8 依次懸拼17～20號節(jié)間，安裝2號背索。⑨步驟9 北岸安裝至第23號節(jié)間且南岸安裝至第22號節(jié)間后按擬定方案進(jìn)行合龍。主要合龍措施為：升降邊支點，調(diào)整合龍口相對高差和轉(zhuǎn)角，利用溫度變化及頂拉千斤頂依次安裝合龍口下弦桿、斜桿、上弦桿和上下平聯(lián)，完成主拱合龍。⑩步驟10 安裝橋面縱、橫梁及中跨橋面板，橋面合龍前安裝柔性系桿并初步張拉。步驟11 橋面合龍，根據(jù)監(jiān)控檢測數(shù)據(jù)調(diào)整柔性系桿索力，完成橋面系施工。

圖8 安裝步驟

5 有限元分析

采用有限元軟件MIDAS/Civil對施工過程中的應(yīng)力進(jìn)行了建模分析。中跨16號節(jié)間施工時主拱肋最大拉應(yīng)力云圖如圖9a所示，由圖可知，最大拉應(yīng)力發(fā)生在跨中與墩臺二者之間的中部上側(cè)，最大拉應(yīng)力為213.2MPa。吊桿及橋面系施工時主拱肋最大壓應(yīng)力云圖如圖9b所示，由圖可知，最大壓應(yīng)力發(fā)生在距離跨中第7根吊桿位置的下側(cè)，最大壓應(yīng)力為238.5MPa。上述最大拉、壓應(yīng)力位置應(yīng)在施工中給予監(jiān)測和重點關(guān)注。

圖9 主拱肋最大應(yīng)力云圖

6 結(jié)語

本文以珠海橫琴二橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究背景，結(jié)合實際工程的施工特點與技術(shù)難點，對中承式鋼桁架系桿拱橋的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，確保了工程的施工質(zhì)量及安全，為同類中承式鋼桁架系桿拱橋工程設(shè)計與施工提供了參考。