CFST拱橋轉體施工及不平衡技術研究

張桓鋮

摘 要：為探究CFST拱橋轉體施工及不平衡技術，以云南省某CFST拱橋為例，首先研究了轉體施工技術的重難點及解決措施，其次給出了轉體施工技術設計流程，最后對轉體施工過程中的不平衡設計進行了探究。研究表明：提出的轉體施工重難點解決措施及不平衡設計可減少轉體施工過程中的結構不穩(wěn)定和不安全問題。

關鍵詞：橋梁工程；CFST拱橋；轉體施工；不平衡設計；結構穩(wěn)定

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0022-03

0 引言

鋼管混凝土拱橋（CFST拱橋）由于主拱處于受壓狀態(tài)，同時結構體系相對穩(wěn)定，故常用在跨越山河、溝谷等不良地段。CFST拱橋在設計時要經過方案比選[1]、理論模型計算[2-3]、施工方案對比、施工監(jiān)控[4-5]及施工專項技術探究等幾個關鍵階段。近年來轉體施工技術[6-7]在拱橋施工過程中得到廣泛應用，故基于上述研究情況和相關內容，以山區(qū)某大跨徑CFST拱橋施工為例，探究轉體施工過程中的重難點、施工流程及不平衡設計[8-9]，為同類橋梁施工做技術參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

以云南某上承式CFST橋為工程背景，該橋跨越深切河谷白水江河，橋梁全長為760 m，包含引橋和主梁，主跨330 m，跨孔樣式為2個33.5 m預制T梁+1個330 m鋼管混凝土拱+11個30 m預制T梁。交接墩采用矩形空心墩。矢高60 m，矢跨比1/5.5，拱軸系數(shù)1.5。

1.2 施工難點及措施

該大橋采用轉體施工技術，受地形地質、橋梁質量等因素的制約，在施工過程中存在許多施工難點。為保證施工過程中的橋梁結構穩(wěn)定性，針對施工難點提出以下4點有針對性的解決措施。

第一，為保證安全生產，確保拼裝線性正確和線性質量可靠，盡量減少高空作業(yè)，故此主拱肋采用單鉸非平衡轉法施工。

第二，為確保交界墩和上盤的安全，扣索不能一次張拉到位，必須分批、分級與背索和上盤預應力交替張拉。當轉體到位，拱肋合攏后，扣索、背索、上盤預應力等仍需分批、分級、交替釋放。

第三，轉體施工過程中，必須采取可靠的方案對上盤、交界墩及拱肋的控制部位進行應力監(jiān)測，且對交界墩、拱肋的重點部位也要進行應力監(jiān)測。

第四，鋼梁在架設過程中采用機械設備分段拼裝，完成后縱向頂推就位，過程中對墩身的應力、位移監(jiān)控至關重要。

1.3 主橋施工方案

主拱拱座基礎基坑開挖采用“控制爆破+挖掘機出渣”的方法進行施工。拱座上下轉盤澆筑采用分層澆筑，并采用大體積混凝土溫控措施。墩身均采用大塊鋼模分節(jié)澆注、塔機配合的施工方案。主拱采用工廠制造、單元件運輸，岸邊依地形搭建支架，通過桅桿吊機組拼焊接成半拱，然后平轉合攏。主拱合攏后拱肋內壓注混凝土采用頂升法施工。拱上立柱采用鋼模澆筑成型，纜索吊配合施工。拱上鋼箱梁采用頂推法施工。引橋上部結構鋼混凝土結合梁，采用頂推法施工。

2 轉體施工設計

2.1 主拱轉體施工

轉體施工工藝復雜，施工工序較多。當鋼管桁架拱在支架上拼裝焊接完成后，要通過張拉扣索來使鋼管桁架脫離支架呈懸臂狀態(tài)才能實施轉體。

2.2 管內混凝土施工

本橋鋼管拱混凝土灌注采用泵送頂升灌注法施工，鋼管拱拱肋微膨脹混凝土泵送施工順序嚴格按以下步驟進行：上外側鋼管→上內側鋼管→下外側鋼管→下內側鋼管→上蓋板→下蓋板→外側腹板→內側腹板。灌注應縱橫向對稱進行，兩岸自拱腳分段對稱壓注至拱頂。

2.3 拱上建筑物施工

2.3.1 墩身施工

該CFST橋拱上剛架墩（π型蓋梁）最高墩約40 m，最矮墩約5.85 m，墩身及橫撐均為矩形空心截面。立柱底座均為鋼箱混凝土墩座，在鋼管拱轉體合攏后焊接在拱肋鋼管頂面上。

墩座鋼箱在工廠整體制作后運抵工地，在鋼管拱轉體合攏后，鋼管拱混凝土灌注之前，先進行墩位放樣，在主弦鋼管及蓋板上焊接φ16 mmL65 mm栓釘，再把墩座鋼箱焊接于主弦鋼管頂部。在鋼管混凝土灌注完成后，再灌注鋼箱內C50微膨脹混凝土。在地面組裝萬能桿件施工平臺，用纜索起重機整體吊裝，將其焊接于上下拱肋頂部墩位鋼管上。在萬能桿件施工平臺上鋪設鋼管腳手架，墩身混凝土采用分節(jié)灌注，分節(jié)高度2.5 m，K型鋼結構橫撐采用纜索吊吊裝。

2.3.2 橋面施工

在小里程路基上設置頂推平臺，拼裝鋼梁，再頂推至設計位置，焊接結合梁頂面剪力連接件，澆筑跨中附近混凝土橋面板。待混凝土強度達到100%后，澆筑墩頂附近剩余部分橋面板混凝土。待強度達到100%后，安裝支座。60 d后施工二期恒載，完成全橋施工。

2.4 結合梁施工

結合梁主要施工內容包括以下步驟：

第一，腹板與翼板的縱向焊縫采用埋弧自動焊，受拉區(qū)、受壓區(qū)應符合相關焊縫要求，焊縫全長超聲探傷。腹板豎向加勁肋采用成型好的二氧化碳保護焊，焊址處不允許“咬肉”。

第二，鋼梁運輸安裝過程中嚴防扭轉、翹曲和側傾，吊裝時注意輕吊輕放、緩慢移動、支墊平穩(wěn)。

第三，鋼梁節(jié)段間上翼緣為便于剪力釘布置，采用工地對接焊連接，腹板和下翼緣采用高強度螺栓連接。施工順序為先焊后栓。

第四，鋼梁的架設采用在小里程路基上設置頂推平臺，拼裝鋼梁，拼裝完成后縱向頂推就位的方法。

第五，橋面板鋼筋整體綁扎，橋面墊層與橋面混凝土一同灌注。灌注前清除結合面污物，使其表面保持清潔。

第六，按設計劃分區(qū)段，結合梁橋面混凝土連續(xù)澆筑、一次成型。待混凝土強度達到設計強度的80%以上后方可拆模。

第七，橋面防水層及保護層在擋碴墻、電纜槽豎墻澆筑后鋪設。

3 不平衡轉體設計

3.1 基本原理

橋梁施工過程中的轉體方法較多，其中最為常見的轉體技術為平面內的轉體施工，故依托工程也采用平面內轉體施工技術。不平衡轉體施工的轉體體系見圖1。

不平衡轉體施工最重要的即是計算不平衡彎矩，不平衡力矩計算示意見圖2。

不平衡彎矩計算公式如式（1）：

M=F·L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M為球鉸支座處的不平衡彎矩；F為千斤頂反力；L為千斤頂?shù)角蜚q支座處的水平距離。

3.2 設計方法

在退沙箱，拆除上盤模板過程中，由于拆除沙箱和上盤模板，導致結構體系內力重分布，且結構為偏心受壓結構，故會產生不平衡彎矩。為減小該影響，在上盤底部設置多個千斤頂（見圖2），進而通過監(jiān)控千斤頂在施工過程中的受力情況，來掌握整個主拱的受力情況。只有千斤頂保持受壓狀態(tài)，主拱才穩(wěn)定安全，方可拆除沙箱；反之千斤頂不受壓，則需在上盤處通過施加重力或壓重來調節(jié)主拱受力，確保千斤頂受壓方可拆除沙箱。

不平衡轉體設計的重點，就是通過計算千斤頂?shù)撞颗c轉體滑道之間的變化量來計算不平衡彎矩，進而得出在轉體施工過程中的主拱受力情況。

3.3 設計測試結果

根據(jù)上述設計方法及相關參數(shù)，可得出千斤頂、不平衡彎矩及千斤頂?shù)撞颗c轉體滑道之間的變化量的相對關系，見表1。表1中編號列中的“0”表示初始情況，即此時千斤頂不受力，“F”表示千斤頂壓力，“M”表示不平衡彎矩，“L”表示千斤頂?shù)撞颗c轉體滑道之間的變化量。

根據(jù)表1計算結果，可采用MATLAB等程序擬合不平衡彎矩與變化量之間的相對函數(shù)關系。建立函數(shù)關系后，即可在施工現(xiàn)場通過測定千斤頂?shù)撞颗c轉體滑道之間的變化量相對關系，來計算不平衡彎矩，同時設置對應千斤頂?shù)呐渲兀员ＷC轉體施工過程中的主拱結構安全問題。不平衡彎矩與變化量之間的相對函數(shù)關系見圖3和圖4所示。

分析圖3和圖4可知：當采用三次多項式函數(shù)進行擬合時，曲線的相關性指數(shù)R2=0.99778；當采用指數(shù)函數(shù)進行擬合時，曲線的相關性指數(shù)R2=0. 992 08。三次多項式指數(shù)最接近1，因此擬合趨勢線越可靠。

4 結語

主要結論如下：①在轉體施工過程中要明確具體施工流程，同時不同步驟有不同的技術重難點，要有針對性地提出解決措施，才能確保轉體施工過程中的結構穩(wěn)定與安全問題。②在退沙箱，拆除上盤模板過程中，要通過不平衡設計試驗，建立不平衡彎矩與變化量之間的相對函數(shù)關系，方便施工時計算不平衡彎矩和配重，確保轉體施工過程中主拱結構安全。

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