大跨徑鋼箱系桿提籃拱橋全壽命周期一體化建造技術(shù)分析

徐曉東 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

十三五期間，安徽省委省政府發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)皖北地區(qū)又好又快發(fā)展的若干意見》，要求大力推進(jìn)國(guó)、省干線公路升級(jí)改造、農(nóng)村公路建設(shè)，加快高速公路、民航等項(xiàng)目建設(shè)，盡快實(shí)現(xiàn)皖北高速公路縣縣通，形成快捷便利的綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。按照省委省政府的要求，在《安徽省交通運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中，高速公路“縣縣通工程”已經(jīng)列入“十三五”重點(diǎn)任務(wù)。固鎮(zhèn)至蚌埠高速公路為安徽省“縣縣通工程”之一，本項(xiàng)目修建之前，固鎮(zhèn)縣上下高速公路需要通過蚌埠或者宿州繞行，給固鎮(zhèn)縣人民出行帶來不便，為實(shí)現(xiàn)縣縣通高速公路的目標(biāo)，落實(shí)振興皖北戰(zhàn)略，項(xiàng)目建設(shè)十分迫切。

圖1 橋梁實(shí)景圖

本項(xiàng)目于懷洪新河與澮河交匯處東側(cè)約1km位置跨越澮河，設(shè)置九灣澮河特大橋，全長(zhǎng)2611m。橋位區(qū)位于蚌埠市北部，屬于淮北平原區(qū)，主要由淮河和黃河沖積物組成，地勢(shì)平坦遼闊，區(qū)域內(nèi)河流平行向東南注入淮河。地貌單元為淮河沖積平原區(qū)，微地貌單元為二級(jí)階地，地面標(biāo)高在15.0m～18.0m之間，河堤標(biāo)高20.0m～22.0m，地勢(shì)平坦。橋位處河道較為順直，河槽寬度約300m，河底高程約10m。兩岸灘地較為發(fā)育，北岸灘地寬約380m，南岸灘地寬約750m，兩岸建有堤防，兩岸堤頂高程均約為21.0m，左右堤頂間距約1500m。

1 總體設(shè)計(jì)

九灣澮河特大橋由北向南依次跨越X017、北岸大堤、澮河主河道、南岸大堤，橋梁全長(zhǎng)2611m，跨澮河主航道采用主跨135m鋼箱系桿拱橋，跨越X017、北岸大堤、南岸大堤均采用50m簡(jiǎn)支鋼板組合梁橋，其余引橋采用35m連續(xù)鋼板組合梁橋。橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造如下[1-3]。

①鋼主梁。鋼梁由兩邊箱主縱梁與預(yù)制混凝土橋面板及橫梁組成，梁高2.5m，主縱梁邊箱寸為 1.6m（斜寬）x2.5m（高），主縱梁、橫梁及小縱梁均為全焊鋼結(jié)構(gòu)。橫梁間距3.6m，每7.2m設(shè)置一對(duì)吊桿，即間隔一道橫梁布置一對(duì)吊桿。橫向兩道主縱梁間布置3道小縱梁，小縱梁頂寬0.65m，底寬0.44m，梁高0.4m。主梁端橫梁高4.0m，順橋向長(zhǎng)3.5m。

②橋面板為鋼筋混凝土板，采用分塊預(yù)制，板間現(xiàn)澆濕接縫連接，橫向分四塊預(yù)制，縱向設(shè)置5道現(xiàn)澆接縫，橋面板厚度26cm，預(yù)制板采用C50混凝土，現(xiàn)澆濕接縫采用C55補(bǔ)償收縮混凝土。預(yù)制橋面板必須存放6個(gè)月方可安裝，以減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。

③主拱及風(fēng)撐。主拱矢跨比1/4，拱高32.75m（拱軸斜面內(nèi)）。主拱采用2片提籃式鋼箱型斷面，拱肋橫向傾角13°，拱肋采用矩形等高鋼箱拱肋，寬1.6m，高2.5m。拱軸線為二次拋物線。拱頂風(fēng)撐采用箱型結(jié)構(gòu)，全橋共設(shè)置三道風(fēng)撐。

④吊桿及系桿。吊桿采用擠壓錨固鋼絞線拉索體系，于梁端張拉，考慮張拉空間影響，吊桿張拉端錨頭置于主縱梁箱室之外，最外側(cè)吊桿采用15-31鋼絞線、其余吊桿采用15-22鋼絞線，吊桿間距為7.2m。吊桿索面與水平面夾角為77°。本橋系桿為可換索式系桿，縱向系桿采用15-31鋼絞線，每個(gè)箱室6根。端橫梁橫向系桿采用15-19鋼絞線。

⑤下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)。下部結(jié)構(gòu)墩柱采用直徑4.5m圓柱墩，承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，每個(gè)承臺(tái)長(zhǎng)12m，寬7.5m，厚3.5m，承臺(tái)下為6根直徑1.8m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。

2 總體施工方案

圖2 橋梁總體布置圖（單位：cm）

全橋采用先梁后拱搭設(shè)支架浮吊吊裝施工[4-7]。鋼梁及系桿拱工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝采用支架法，水中搭設(shè)鋼管樁安裝系梁底部貝雷梁，利用110t浮吊安裝端橫梁及系梁、鋼箱拱支架、拱肋、風(fēng)撐及吊桿。橋面板采用場(chǎng)內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)澆筑濕接縫形成整體。鋼梁工廠制造節(jié)段是根據(jù)工廠場(chǎng)地、設(shè)備、起吊能力等綜合評(píng)估后進(jìn)行分段。鋼梁分段分為端橫梁部分（10段）、系梁（18段）、中橫梁（33段）、小縱梁（102個(gè)）；鋼箱拱分為拱腳（4段）、拱肋（22段）、橫撐（3個(gè)）。具體步驟如下：①鋼梁及鋼拱廠內(nèi)加工、橋面板場(chǎng)內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)主梁及主拱支架；②利用110t浮吊安裝端橫梁、兩側(cè)鋼系梁、中橫梁、小縱梁等橋面鋼結(jié)構(gòu)體系，形成鋼框架；③利用110t浮吊安裝鋼箱拱支架，并安裝連接系；由拱腳至拱頂安裝拱肋至合龍；④拆除拱上支架，首張系桿及吊桿；⑤鋪設(shè)預(yù)制橋面板并現(xiàn)澆濕接縫，形成橋面系；⑥二張系桿及吊桿，拆除梁上支架；⑦施工橋面鋪裝、欄桿、伸縮縫及其他附屬；⑧成橋檢測(cè)、荷載試驗(yàn)、通車等。

3 結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵點(diǎn)分析

組合橋面系鋼箱系桿拱橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力明確，但組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力部位需設(shè)計(jì)合理，施工關(guān)鍵工序?qū)Y(jié)構(gòu)受力影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)全壽命周期性能有至關(guān)重要的作用，本橋影響結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵因素如下。

①主梁支架拆除時(shí)機(jī)

本橋主梁及主拱均在支架上施工，主拱合龍后拆除拱上支架，而梁體支架拆除可考慮方案一，在橋面板濕接縫澆筑形成整體后拆除，也可考慮方案二，在鋪設(shè)橋面板之前全橋鋼框架形成后即可拆除。但兩者在結(jié)構(gòu)受力、變形及支架設(shè)計(jì)等方面均存在較大差別。采用方案一時(shí)橋面板及鋼梁重量均由支架承擔(dān)，支架拆除后由聯(lián)合形成整體的組合結(jié)構(gòu)承擔(dān)，支架設(shè)計(jì)需考慮橋面板重量對(duì)承載能力及變形的影響，由于采用一次落架，施工監(jiān)控索力張拉及變形控制相對(duì)較容易。采用方案二時(shí)支架拆除前鋼梁重量由支架承擔(dān)，支架拆除后，鋼梁重量及橋面板重量?jī)H由鋼梁承擔(dān)，聯(lián)合形成的整體組合結(jié)構(gòu)承受后期二恒及活載等作用。支架設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮橋面板重量，支架承載力要求相對(duì)較低，但二次調(diào)索相對(duì)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)在拆除支架的體系上鋪設(shè)橋面板及濕接縫，體系受力及變形相對(duì)較為敏感。本橋綜合考慮支架設(shè)計(jì)、體系受力及變形等因素后選擇采用方案一。

②主梁柔性系桿二張時(shí)機(jī)

主梁柔性系桿首張?jiān)谥鞴昂淆埡筮M(jìn)行，二張重點(diǎn)考慮選擇方案一為混凝土橋面板與鋼梁形成聯(lián)合整體前二張系桿，方案二為混凝土橋面板與鋼梁形成聯(lián)合整體后張拉系桿。采用方案一，則系桿力主要傳給鋼主縱梁以抵消鋼主縱梁承受的水平推力。采用方案二，則系桿力主要傳遞給聯(lián)合截面，主要推力由鋼梁承擔(dān)，抵消主要推力同時(shí)可適當(dāng)給橋面板儲(chǔ)備一定預(yù)壓應(yīng)力，改善后期活載、溫變、收縮徐變等導(dǎo)致的橋面板拉應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂。本橋經(jīng)進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析論證，決定采用方案二，并且要求施工期間嚴(yán)格執(zhí)行。

③吊桿破斷或更換期間結(jié)構(gòu)敏感性

假設(shè)上游側(cè)一根吊桿破斷或更換，經(jīng)對(duì)吊桿破斷或更換期間進(jìn)行的敏感性分析發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。由于橋面系采用了格子梁體系，上游側(cè)單根吊桿破斷后不會(huì)導(dǎo)致下游側(cè)主拱及主縱梁、橋面系受力發(fā)生巨大變化，上下游側(cè)縱向受力相對(duì)較為獨(dú)立；上游側(cè)單根吊桿破斷后會(huì)導(dǎo)致上游側(cè)臨近的兩根吊桿力發(fā)生巨大變化，次臨近的吊桿力變化次之，順橋向兩側(cè)傳遞逐漸減弱；上游側(cè)單根吊桿破斷會(huì)導(dǎo)致上游側(cè)拱梁結(jié)合位置處受有較大的彎矩，該較大彎矩是梁體重量無法完全由吊桿平衡導(dǎo)致，對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，需引起足夠重視。

4 施工監(jiān)控關(guān)鍵點(diǎn)分析

提籃式鋼箱系桿拱結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、施工期間受力、變形及穩(wěn)定問題極為重要，施工監(jiān)控是保證主、引橋施工質(zhì)量和安全的重要環(huán)節(jié)，是主橋建設(shè)成功與否的關(guān)鍵所在，施工過程中需對(duì)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)控。鋼拱、鋼梁及行車道板的制造線形和安裝線形均應(yīng)由施工監(jiān)控單位下發(fā)控制指令，施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照施工控制單位的指令加工制造。監(jiān)控時(shí)變形基點(diǎn)應(yīng)可靠，梁體、橋面變形測(cè)量精度要求達(dá)到0.1mm，監(jiān)測(cè)應(yīng)從制作完工后開始，每個(gè)施工步驟均應(yīng)測(cè)量，而后每二至三個(gè)月測(cè)量一次，以形成完整的變形曲線和圖表，變形觀測(cè)資料應(yīng)定期交付業(yè)主并轉(zhuǎn)交設(shè)計(jì)單位，竣工驗(yàn)收時(shí)作為必須的資料并移交養(yǎng)護(hù)管理部門。

提籃式鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控主要控制點(diǎn)如下：①上部結(jié)構(gòu)主引橋施工全過程監(jiān)控計(jì)算，包括主拱、主梁的安裝、系桿、吊桿張拉和橋面系施工等；②線形監(jiān)控測(cè)量，包括施工過程中各主要控制點(diǎn)的位移、線形和標(biāo)高的計(jì)算與測(cè)量；③結(jié)構(gòu)內(nèi)力及支反力監(jiān)控測(cè)量，包括系桿力、吊桿力與支座反力等的計(jì)算與測(cè)量；④結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試，包括主拱、主梁控制截面應(yīng)力計(jì)算與測(cè)試；⑤溫度測(cè)試；⑥施工臨時(shí)設(shè)施監(jiān)控測(cè)量，包括臨時(shí)支墩、臨時(shí)系桿等的計(jì)算與測(cè)量；⑦施工監(jiān)控應(yīng)遵循線形、索力雙控原則，主拱合龍前以線形控制為主，索力控制為輔；合龍后以索力控制為主，線形控制為輔。坐標(biāo)及高程測(cè)量應(yīng)保證在一天中溫度最恒定的時(shí)間（凌晨2:00～6:00之間）進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)記錄時(shí)刻、溫度、風(fēng)力、氣象等客觀條件，以便對(duì)橋梁進(jìn)行綜合分析控制。

5 養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)分析

結(jié)合本橋受力特點(diǎn)及關(guān)鍵部位受力分析可知，組合結(jié)構(gòu)鋼箱系桿拱橋運(yùn)營(yíng)階段養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)關(guān)注如下事項(xiàng)：①主梁及主拱鋼結(jié)構(gòu)涂裝失效、焊縫開裂、疲勞裂紋、變形失穩(wěn)等；②橋面板關(guān)注鋼混結(jié)合處局部裂縫、現(xiàn)澆濕接縫處局部裂縫、拱梁結(jié)合段頂部局部裂縫及收縮徐變與鋼梁與橋面板不同步溫變導(dǎo)致的裂縫。③吊桿與系桿關(guān)注短吊桿斷裂、吊桿護(hù)套破損、錨頭區(qū)積水滲水、錨固區(qū)銹蝕等。④常規(guī)養(yǎng)護(hù)關(guān)注橋面系破損、支座變形老化、伸縮縫破損、護(hù)欄泄水管破壞、下部結(jié)構(gòu)水毀等。

6 結(jié)語

組合橋面系鋼箱系桿拱橋方案與交通運(yùn)輸部《推進(jìn)公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的指導(dǎo)意見》理念相吻合，有利于提升公路橋梁品質(zhì)和耐久性，降低全壽命周期成本，促進(jìn)公路建設(shè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。同時(shí)，本橋主引橋均采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，有利于推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化建造。

施工周期方面，上部結(jié)構(gòu)鋼梁制造、橋面板預(yù)制與下部結(jié)構(gòu)施工可同步進(jìn)行，大大節(jié)省了建設(shè)工期，綜合節(jié)約工期約6個(gè)月，作為全線施工控制性節(jié)點(diǎn)工程，利于早日通車。

景觀性方面，鋼箱系桿提籃拱橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、順暢、景觀效果相對(duì)較佳。

本橋設(shè)計(jì)、施工及全壽命周期養(yǎng)護(hù)理念等一體化建造技術(shù)可為類似橋梁建造提供參考。