有平衡重轉(zhuǎn)體施工上承式砼箱型拱橋設(shè)計(jì)

郭小平,駱鵬

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330038）

有平衡重轉(zhuǎn)體施工把高空吊裝、懸拼，水上作業(yè)轉(zhuǎn)化為岸邊陸地上傳統(tǒng)常規(guī)的土建作業(yè)，無需大型施工設(shè)施，特別適用于山區(qū)施工困難條件下修建拱橋。之前，國內(nèi)采用有平衡重轉(zhuǎn)體工藝建造的最大跨度公路鋼筋混凝土箱型拱橋?yàn)樗拇ò蜄|橋，凈跨徑為183 m，湖北恩施鶴峰縣南渡江大橋?qū)⒋祟悩蛐偷淖畲髢艨缍韧七M(jìn)到190 m。

1 項(xiàng)目概況

湖北恩施鶴峰縣南渡江大橋跨越南渡江(U字形峽谷)，橋全長為272.276 m，橋?qū)挒?0 m，橋高為163 m。橋跨布置為2×18.6 m(引橋)+204.6 m(主橋)＋25.0 m(引橋)。其中，主橋?yàn)閮艨?90.0 m上承式鋼筋砼箱型拱橋，拱上建筑為11孔裝配式預(yù)應(yīng)力砼簡支小箱梁橋，每孔跨度為18.6 m，兩岸引橋也為裝配式預(yù)應(yīng)力砼簡支小箱梁橋。橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置

2 有平衡重轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)

主橋主拱圈結(jié)構(gòu)采用有平衡重轉(zhuǎn)體施工。要想取得拱橋轉(zhuǎn)體施工成功，設(shè)計(jì)須做到正確的施工工序設(shè)計(jì)、正確的轉(zhuǎn)動(dòng)體系設(shè)計(jì)和可靠的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)施和細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。下文從這三個(gè)方面對該項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1 施工工序

平轉(zhuǎn)施工可分為有平衡重轉(zhuǎn)動(dòng)施工與無平衡重轉(zhuǎn)體施工。國內(nèi)首次于1984年結(jié)合巫山縣龍門橋(跨徑122 m)進(jìn)行了拱橋無平衡重轉(zhuǎn)體施工工藝的研究，1988年7月又采用該工藝建成了200 m涪陵烏江大橋。無平衡重轉(zhuǎn)體施工雖能較大地減輕轉(zhuǎn)體重量，節(jié)省橋梁用材，但施工工藝精度要求較高、施工措施復(fù)雜、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，后期并未得到推廣。有平衡重轉(zhuǎn)體施工工藝因其施工安全、工藝相對簡單，得到廣泛應(yīng)用。

本橋采用有平衡重轉(zhuǎn)體施工，其主要施工工序?yàn)椋?）根據(jù)地形確定合理轉(zhuǎn)動(dòng)體系制作軸線，制作轉(zhuǎn)動(dòng)體系;2）將兩岸的轉(zhuǎn)動(dòng)體系轉(zhuǎn)體到位并合攏成拱；3）在合攏成拱后的第1期拱圈結(jié)構(gòu)上進(jìn)行后期無支架加載施工，逐漸形成設(shè)計(jì)斷面的主拱圈；4）拱上搭設(shè)支架對稱澆筑拱上立柱及蓋梁，對稱吊裝拱上小箱梁，施工橋面系結(jié)構(gòu)。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)體系設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)體系（圖2）包括下盤基礎(chǔ)上的下球鉸(磨心)、環(huán)道、環(huán)道兩側(cè)的預(yù)留孔洞，上轉(zhuǎn)盤及其中的上球鉸（磨蓋）、倒錐體、撐腳、拱座，交界墩背墻，扣索和背索，轉(zhuǎn)出的半跨橋體。上下盤之間留有1 m高的間隙供轉(zhuǎn)體時(shí)人員操作，上下盤之間不預(yù)留鋼筋焊接成一體。交界墩背墻可以是空心墩，也可以是實(shí)心墩。它不僅是交界墩、平衡重，還是扣索的反力墻。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)體系構(gòu)造

2.2.1 轉(zhuǎn)出的半跨橋體

選擇帶砼底板的小直徑鋼管勁性骨架與鋼筋混凝土雙肋薄壁閉口箱兩種類型進(jìn)行比選。帶砼底板的小直徑鋼管勁性骨架轉(zhuǎn)體重量輕、材料用量少、造價(jià)低，除鋼結(jié)構(gòu)加工、運(yùn)輸略有不便外，其它結(jié)構(gòu)的施工較鋼筋混凝土雙肋薄壁閉口箱簡易，且成拱后，拱的整體性更好。因此，最終轉(zhuǎn)出的橋體采用帶砼底板的小直徑鋼管勁性骨架，見圖3。轉(zhuǎn)出橋體采用了3榀勁性骨架結(jié)構(gòu)，間距3.4 m，上弦主鋼管直徑377 mm，壁厚10 mm，腹桿及橫向連接桿件均采用角鋼。

圖3 轉(zhuǎn)出橋體構(gòu)造

2.2.2 上轉(zhuǎn)盤及交界墩背墻

上轉(zhuǎn)盤連接交界墩與轉(zhuǎn)出的橋體通過球鉸支承在基礎(chǔ)上，相當(dāng)于單支點(diǎn)托住一端轉(zhuǎn)出的橋體與另一端平衡重交界墩，受力較大。上轉(zhuǎn)盤厚4 m，設(shè)置縱橫向雙向預(yù)應(yīng)力，使其全斷面受壓，確保安全。交界墩高約40 m，采用空心墩，外尺寸為9 m×4 m，壁厚0.7 m，沿高度方向9.4 m間距處設(shè)置1道1 m厚實(shí)心隔板。

2.2.3 扣索和背索

扣索由68束單根鋼絞線組成，采用Φs=15.2 mm，fpk=1 860 MPa的鋼絞線，每根鋼絞線最終的設(shè)計(jì)張拉力為97 kN。實(shí)踐表明，這種做法有利于分散拱頂錨固力，錨固均勻、可靠。

背索選用32束鋼絞線，設(shè)在背墻頂端中部和上盤尾端下部之間。每束鋼絞線12根，每束背索最終設(shè)計(jì)張拉力為2 031 kN。實(shí)踐表明，這樣設(shè)置的背索傳力受力可靠。

扣索與背索穿過砼結(jié)構(gòu)區(qū)域都預(yù)埋鋼管，要求待張拉脫架前再穿索張拉，不要在澆筑砼的同時(shí)預(yù)埋鋼索，以避免鋼索長期外露銹蝕。為確保交界墩背墻的安全，扣索及背索張拉時(shí)要求分五級對稱交替張拉到位再實(shí)現(xiàn)脫架。由于張拉設(shè)備輕便，張拉操作方便，1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體系4～6 h即可完成轉(zhuǎn)體。

2.2.4 球鉸及環(huán)道

本橋轉(zhuǎn)動(dòng)體系質(zhì)量6 006 t，采用C50普通鋼筋混凝土球鉸(圖4)，直徑2.6 m。相比鋼球鉸，普通鋼筋混凝土球鉸制作工藝簡單，成本低廉，使用可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、靈活。目前，國內(nèi)運(yùn)用普通鋼筋混凝土球鉸轉(zhuǎn)過最重的轉(zhuǎn)動(dòng)體系質(zhì)量為9 000 t，球鉸直徑3.5 m，為2012年4月建成的蘇州吳江跨高速公路立交橋。該工藝基于“中心承重轉(zhuǎn)體”的設(shè)計(jì)構(gòu)思，不用精密加工的鍍鉻鋼板和不銹鋼板組成的鋼環(huán)道，而是只需直接在下盤頂面環(huán)道位置將混凝土道面標(biāo)高誤差控制在2 mm內(nèi)，并打磨光滑即可，環(huán)道寬度1 m，環(huán)道以外下盤頂面標(biāo)高要求控制在2.0 cm內(nèi)。

圖4 砼球鉸構(gòu)造及配筋

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)施細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.3.1 上轉(zhuǎn)盤細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

目前，常規(guī)設(shè)計(jì)上轉(zhuǎn)盤構(gòu)造見圖5，本橋上轉(zhuǎn)盤構(gòu)造見圖6。鑒于以往經(jīng)驗(yàn)，施工時(shí)部分轉(zhuǎn)動(dòng)體系重心向轉(zhuǎn)出橋體側(cè)偏移，基于“中心承重轉(zhuǎn)體”的理念，需用千斤頂頂上盤前緣及撐腳以平衡重心前移的偏心距，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)體系復(fù)位及相應(yīng)調(diào)整主拱標(biāo)高。由圖5可以看出，常規(guī)設(shè)計(jì)上盤前緣距離球鉸中心的距離較近，千斤頂作用力臂較短，故轉(zhuǎn)動(dòng)體系復(fù)位需較大作用力。而本橋設(shè)計(jì)加大了上盤前緣距離球鉸中心的距離，同時(shí)對應(yīng)增加了沿環(huán)道方向撐腳的距離，將其由0.5 m加大到0.8 m。并且原先只在距離撐腳下0.6 m范圍外包鋼板，現(xiàn)改為整個(gè)撐腳均外包1.6 mm鋼板。撐腳作為千斤頂驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)體的作用點(diǎn)，本次對撐腳的設(shè)計(jì)提高了其強(qiáng)度及抗裂性能。

圖5 常規(guī)設(shè)計(jì)上轉(zhuǎn)盤構(gòu)造

圖6 本項(xiàng)目上轉(zhuǎn)盤構(gòu)造

2.3.2 勁性骨架細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

鑒于拱腳段桿件內(nèi)力較大，拱腳附近斜腹桿采用交叉腹桿(圖3)。為加強(qiáng)腹桿平面外的穩(wěn)定，受力較大的拱腳區(qū)域(1/8拱長)、拱頂扣索錨固區(qū)域(1/8拱長)腹桿增焊了鋼筋，加大單桿件的抗彎剛度，以增強(qiáng)該區(qū)域腹桿穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 腹桿焊接鋼筋大樣

3 橋梁計(jì)算

本橋主要進(jìn)行了以下計(jì)算：1）轉(zhuǎn)動(dòng)體系質(zhì)量及重心位置計(jì)算；2）各施工階段及成橋主拱整體及局部構(gòu)件穩(wěn)定、強(qiáng)度、裂縫、變形計(jì)算；3）扣索、背索應(yīng)力計(jì)算；4）交界墩的強(qiáng)度及裂縫計(jì)算；5）上轉(zhuǎn)盤強(qiáng)度及應(yīng)力計(jì)算。轉(zhuǎn)動(dòng)體系重量是轉(zhuǎn)體體系設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，重心位置的計(jì)算是確保實(shí)現(xiàn)“中心承重轉(zhuǎn)體”的思想的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)體階段勁性骨架的穩(wěn)定計(jì)算以及各階段主拱的計(jì)算要求與其它拱橋計(jì)算類似。扣索與背索、交界墩、上轉(zhuǎn)盤的計(jì)算與轉(zhuǎn)體工藝息息相關(guān)，扣索、背索張拉時(shí)要控制背墻、上盤各斷面的應(yīng)力狀態(tài)和背墻頂部位移，盡量讓背墻處于全過程均勻受壓。上轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)了雙向預(yù)應(yīng)力，要求砼有一定的壓應(yīng)力儲備。

4 結(jié)語

南渡江大橋于2015年7月開工建設(shè)，2018年7月30日正式通車。本橋采用有平衡重轉(zhuǎn)體施工很好地解決了山區(qū)低等級公路中特大跨度橋梁施工困難的難題。該工藝安全又經(jīng)濟(jì)，既保證了質(zhì)量，又方便了施工，獲得良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。本橋作為國內(nèi)目前用有平衡重轉(zhuǎn)體工藝建造的最大跨度的公路鋼筋混凝土箱型拱橋，其設(shè)計(jì)思路可作為同類橋址修建大跨度橋梁提供借鑒。