大跨徑組合梁橋移動懸索支架設(shè)計施工技術(shù)

郭卓明

[上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065]

0 引言

20世紀(jì)30年代至今，鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁在經(jīng)歷了幾個重要發(fā)展階段后[1]，目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到了非常廣泛的應(yīng)用。

特別是近二十年以來，國內(nèi)鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展勢頭迅猛，一方面在跨徑上刷不斷新紀(jì)錄，濟(jì)南鳳凰黃河大橋跨黃河大堤鋼-混組合梁橋跨徑已達(dá)245 m[2]，另一方面在常規(guī)跨徑鋼-混組合梁的經(jīng)濟(jì)性上也走在了國際前列[3]。

設(shè)計與施工的緊密結(jié)合讓國內(nèi)鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)取得了顯著的進(jìn)步，后期在技術(shù)上進(jìn)一步的提高和發(fā)展也依然需要從設(shè)計與施工高度融合的中深挖潛力。

1 鋼-混組合梁橋設(shè)計與施工技術(shù)

設(shè)計上充分發(fā)揮各自材料的性能優(yōu)點和施工方法的靈活便捷是鋼-混組合結(jié)構(gòu)兩大核心優(yōu)勢。

1.1 鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的應(yīng)用和鋼混連接技術(shù)的成熟為組合橋梁結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展提供了有力的保障[1]，經(jīng)過長期的工程實踐和科學(xué)研究，栓釘連接、開孔板連接技術(shù)以及考慮溫度、收縮徐變影響等方面在設(shè)計、計算方法上都日趨成熟可靠。因此，自20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)末，歐洲、日本和美國等國家均逐步將組合機(jī)構(gòu)橋梁的設(shè)計與計算、構(gòu)造與布置和建造方法等系統(tǒng)的歸納到各自的規(guī)范體系中。

國內(nèi)一邊在自己的工程實踐和充分研究吸收日本以及歐美的成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，一邊配合大量的試驗研究，目前無論是設(shè)計施工技術(shù)規(guī)范的編制，還是在新結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新和實踐上，都進(jìn)步顯著。

1.2 鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁常用施工方法

組合結(jié)構(gòu)橋梁一般可采用先架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)再施工混凝土的施工方法，鋼結(jié)構(gòu)的架設(shè)工法有直接吊裝法、頂推法、懸臂拼裝等，混凝土結(jié)構(gòu)則可以采用預(yù)制和現(xiàn)澆等方法，這種工法鋼結(jié)構(gòu)施工重量較輕，同時將鋼結(jié)構(gòu)作為混凝土施工的支架甚至模板托架系統(tǒng)，現(xiàn)場施工整潔快捷，因此在早期得到了比較廣泛的使用。

上述工法中鋼結(jié)構(gòu)在獨立承受荷載后再與混凝土組合成整體截面，混凝土的作用沒有得到充分發(fā)揮，從而增加了鋼結(jié)構(gòu)用量。因此近年來，無論是中小跨徑鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁，還是大跨徑組合箱梁，在施工條件允許的情況下都優(yōu)先采用先將鋼和混凝土結(jié)合再架設(shè)的施工方法。另外，為減小負(fù)彎矩區(qū)開裂風(fēng)險，強(qiáng)迫位移法、壓重法、預(yù)彎法等多種施工措施也經(jīng)常配合使用。

1.3 鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁面臨的新挑戰(zhàn)

先將鋼、混兩種材料結(jié)合后再進(jìn)行架設(shè)，讓組合結(jié)構(gòu)整體承受荷載是減少鋼材用量提高經(jīng)濟(jì)性的最有效的途徑。但隨著跨徑不斷增加，鋼-混組合橋梁結(jié)合后的安裝重量也大幅度提高，除了海上的跨海大橋可采用超級浮吊進(jìn)行安裝之外，在水深較淺的內(nèi)河、交通不便的山林峽谷以及其他施工條件受限的施工環(huán)境中，這種施工工法基本無法采用。

為解決大型組合梁橋的安裝難題，另一個思路是采用大型架橋機(jī)架設(shè)的方法施工，鋼梁就位后再用架橋機(jī)的桁架梁作為提升托架反拉鋼-混組合結(jié)構(gòu)，在鋼-混兩種材料結(jié)合成組合截面后再釋放反拉力，讓結(jié)構(gòu)整體受力，如孟州黃河大橋。該方法雖然也達(dá)到了降低大跨徑組合橋梁鋼材用量的目的，但是大型架橋機(jī)施工裝備的造價高昂，施工安全風(fēng)險控制也難度極高。

2 移動懸索支架施工法

在受條件限制無法采用大型安裝設(shè)備的情況下，要達(dá)到組合結(jié)構(gòu)橋梁先結(jié)合再承受荷載的性能目標(biāo)，就必須采用超高的滿堂或多點支架，這不但費用較高，同時也存在沉降引起結(jié)構(gòu)性能受損的風(fēng)險。為避免采用大量超高的施工支架和地基處理，保障橋梁達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能，比選后開發(fā)了移動懸索支架的設(shè)計施工方法。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

大橋采用5 m×108 m五跨一聯(lián)連續(xù)鋼-混組合箱梁結(jié)構(gòu)，橋?qū)?6.5 m，左右兩幅分幅布置，梁高5.0 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 橫斷面布置圖（單位：mm）

槽型鋼梁梁高4.5 m，采用開口槽形截面，由頂板、腹板、底板和橫梁組成。頂板厚20～60 mm；腹板厚16～42 mm，兩道腹板頂部橫向間距8.6 m；底板厚30～60 mm，寬7.2 m。鋼梁橫梁有空腹式橫梁和實腹式橫梁兩種，除支點處采用實腹式橫梁外，其余位置均采用空腹式橫梁。

橋面板采用預(yù)制混凝土橋面板，板厚320~500 mm，橫橋向?qū)?5.9 m，順橋向標(biāo)準(zhǔn)段長4 m。預(yù)制混凝土橋面板與鋼梁之間通過布置于鋼梁頂面的圓柱頭焊釘連接，焊釘采用Φ22×250，集束式布置，間距125 mm，集束式剪力釘處橋面板設(shè)預(yù)留槽。

2.2 施工方法比選

如前所述，鋼-混組合梁橋施工方法多種多樣，總體上可分為鋼與混凝土結(jié)構(gòu)受力（承受結(jié)構(gòu)自重）前結(jié)合和受力后結(jié)合兩種。受力前結(jié)合又可分為結(jié)合后安裝和安裝后結(jié)合兩類，鋼梁安裝又可分為頂推法、吊裝法等等，吊裝設(shè)備又有浮吊、履帶吊、架橋機(jī)、龍門吊等，混凝土結(jié)構(gòu)的施工也可分為預(yù)制安裝和現(xiàn)場澆筑等，細(xì)分后門類眾多相互交織，梳理后見表1所示。

表1 鋼混組合梁橋施工工法分類表

經(jīng)過分析比較顯示，本橋在受力前結(jié)合可使鋼材用量降低近10%，經(jīng)濟(jì)效益明顯，因此在架設(shè)方法可行的前提下宜優(yōu)先考慮受力前結(jié)合的施工方案。在受力前結(jié)合的施工方法中，如采用安裝前結(jié)合，則整孔安裝重量將達(dá)到2 800 t，現(xiàn)場不具備運輸與架設(shè)條件；如采用帶橋面板整體頂推法，5跨一聯(lián)的頂推重量接近14 000 t，不但頂推重量巨大，施工過程中負(fù)彎矩區(qū)的應(yīng)力控制也難度較大。

因此，如有經(jīng)濟(jì)可靠的支撐系統(tǒng)，宜優(yōu)先采用受力前結(jié)合中先安裝后結(jié)合的施工方案。

2.3 可移動懸索支架法

傳統(tǒng)支撐系統(tǒng)容易發(fā)生沉降變形等情況，在水中的支架體系更有防船撞、防洪水等問題，采用魚腹式體外索整體支撐方案則可有效避免上述不利因素。

該支撐系統(tǒng)主要由魚腹式拉索、豎桿和水平連桿組成，在端部可設(shè)置端支撐桿直接支撐于承臺頂面，也可不設(shè)端支撐桿直接固定在鋼梁底面或側(cè)面，如圖2所示。

圖2 魚腹式懸索支架示意圖（單位：mm）

該技術(shù)總體施工順序如下：（1）架設(shè)鋼梁和支撐系統(tǒng)（如先架設(shè)支撐系統(tǒng)，鋼梁可分段吊裝架設(shè)，如先架設(shè)鋼梁，鋼梁可采用頂推等方式施工）；（2）在架設(shè)完成的鋼梁和支撐系統(tǒng)上安裝預(yù)制橋面板；（3）張拉魚腹式拉索給鋼梁施加頂升力；（4）鋼梁和橋面板結(jié)合成整體（墩頂除外）；（5）釋放拉索張拉力，支架系統(tǒng)落架；（6）支架系統(tǒng)移動到后一跨，重復(fù)步驟（2）至（5），直至完成整聯(lián)橋梁；（7）依次澆筑墩頂?shù)装寤炷?；?）根據(jù)受力施加墩頂位移；（9）墩頂負(fù)彎矩橋面板與鋼梁結(jié)合成整體。支架的縱向移動利用兩幅橋之間的中央分隔空間設(shè)置滑道移動，方便快捷。

在結(jié)構(gòu)受力上，首先支架系統(tǒng)保證了鋼梁和混凝土在結(jié)合后開始承受荷載，增加橋梁的整體性，減少結(jié)構(gòu)用鋼量；其次由于張拉魚腹式拉索后，中間豎桿可對鋼梁施加預(yù)彎作用，使鋼-混組合梁的經(jīng)濟(jì)性更為優(yōu)異。

3 移動懸索支架法設(shè)計優(yōu)化分析

3.1 支撐點數(shù)對比分析

為精確比較魚腹式移動支架對大跨徑鋼-混組合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)不同的支撐點數(shù)、不同的頂升位移進(jìn)行參數(shù)化分析（見圖3）。橋梁鋼材采用Q345qD，橋面板采用C50混凝土。

圖3 不同支點數(shù)量對比示意圖

對比分析顯示，優(yōu)化頂升位移后（50~70 cm之間），中間采用四點或五點支撐比較合理，采用五點以上支撐對減少鋼材用量的作用已不明顯，這與文獻(xiàn)[5]結(jié)論基本接近，結(jié)果如表2所示。

表2 不同支撐點數(shù)鋼材用量比較表 單位：kg/m2

3.2 移動懸索支架分析

移動支架自身的受力情況和材料用量也是本技術(shù)的關(guān)鍵之一，如圖4所示，移動支架豎桿和平聯(lián)采用工字鋼，端橫梁采用箱形截面，端部支撐采用圓鋼管支撐于橋梁承臺上。對于本橋跨徑108 m鋼混組合箱梁，優(yōu)化后整套移動支架用鋼量為213 t（含拉索用量36 t）。

圖4 移動懸索支架分析模型示意圖

總體對比可知，當(dāng)組合梁總長度達(dá)到1 000 m以上時，移動支架本身的材料用量約占鋼梁材料節(jié)省量的20%，總體經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4 結(jié) 語

鋼-混組合箱梁因其自身優(yōu)勢深受建設(shè)各方青睞，但隨著跨徑不斷增大，其經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性也暴露出不同程度的局限。本文提出移動懸索支架的設(shè)計施工技術(shù)，并進(jìn)行了移動支架自身和對鋼-混組合箱梁材料用量降低影響的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計分析，結(jié)果顯示，采用本技術(shù)可最大限度發(fā)揮出鋼和混凝土兩種材料的性能優(yōu)勢，使鋼-混組合結(jié)構(gòu)在施工中不受跨徑和橋址場地限制，擴(kuò)大其適用范圍。