預(yù)制拼接上承式拱橋拱箱吊裝施工技術(shù)研究

王 帥,羅 倩

(1.蚌埠投資集團(tuán)有限公司,安徽 蚌埠 233000;2.蚌埠中環(huán)水務(wù)有限公司,安徽 蚌埠 233000)

拱橋是一種常見的橋梁結(jié)構(gòu),有悠久的歷史,由于其良好的受力性能和美觀的造型,在公路、市政等工程設(shè)計(jì)中被越來越多的采用。隨著科技的發(fā)展以及施工技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代拱橋的跨度越來越大[1]。在橋梁建造材料方面,圬工材料的使用逐漸減少,世界各國更多的采用混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋[2],其中混凝土材料由于其抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度小,非常適用于以受壓為主的拱形結(jié)構(gòu)。我國自20世紀(jì)60年代以來修建了多座混凝土拱橋,截止2020年底,我國現(xiàn)存的跨徑不小于100 m的混凝土拱橋有近300座[3]。

經(jīng)過多年的發(fā)展,拱橋的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)已較為成熟,但仍有一些問題需要解決或完善,尤其確定合理的施工工藝確保施工過程中所有部位受力合理、促進(jìn)工程安全,以及施工中的控制措施,對于拱橋的建造至關(guān)重要[4]。近年來,BIM技術(shù)在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用,對于拱橋的施工,采用BIM技術(shù)可以促進(jìn)項(xiàng)目管理效率的提升[5]。

本文對某工程中的跨河上承式拱橋的拱箱吊裝施工技術(shù)進(jìn)行研究,分析了關(guān)鍵施工工藝,對施工方案有很好的參考價(jià)值。

1 工程概況

圖1 本項(xiàng)目研究的拱橋模型圖

某市政道路工程地處云貴高原南緣向桂西北山區(qū)與丘陵過渡的斜坡地帶,地勢北高南低呈階梯式下降,其中計(jì)劃在一處“V”形峽谷上建造一座橋梁,本著經(jīng)濟(jì)性原則,同時(shí)受未來交通客流量限制,決定該橋采用上承式拱橋結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮其跨越能力大、承重性能好、外形美觀的特點(diǎn)[6]。

由于主跨部位河水較深、兩側(cè)山勢較陡,采用傳統(tǒng)支架法進(jìn)行現(xiàn)澆施工已不能滿足實(shí)際需求,為了克服以上技術(shù)難點(diǎn),將主拱圈設(shè)計(jì)成空腹箱型結(jié)構(gòu),在大大減輕結(jié)構(gòu)自重的同時(shí),可將同一軸線拱肋拆分成多段,再放到預(yù)制梁場來完成制作,大幅降低了高空作業(yè),但裝配式結(jié)構(gòu)吊裝成了本項(xiàng)目的一個(gè)難題。本工程采用纜索吊機(jī)作為起重設(shè)備完成拱箱的分片吊裝,纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單,以塔架和懸索作為承重結(jié)構(gòu)并且起重車可以靈活的運(yùn)輸重物[7],效率高、經(jīng)濟(jì)性好,很適用于本工程的實(shí)際情況。

最終,本項(xiàng)目的拱橋橋跨布置設(shè)計(jì)為:2×16 mPC空心板+1×90 m上承式鋼筋混凝土箱型拱橋+4×16 mPC空心板,全橋長205.66 m。

圖2 本項(xiàng)目纜索吊施工應(yīng)變片監(jiān)測位置

2 施工技術(shù)要點(diǎn)

本橋主拱圈為多肋多節(jié)段拱箱組合結(jié)構(gòu),橋面橫向由7肋拱圈組合而成,橋面縱向由5節(jié)段拱圈預(yù)制拼裝連接,拱圈結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 預(yù)制拱圈結(jié)構(gòu)及拼接順序示意圖

橋梁拱圈結(jié)構(gòu)拼裝順序橋面橫向?yàn)橛芍虚g肋向兩側(cè)肋對稱順序進(jìn)行,橋面縱向5個(gè)節(jié)段為由兩側(cè)拱腳至中間拱頂對稱順序向跨中拼裝連接,拱圈拼接順序見圖3所示(根據(jù)序號先后)。

2.1 拱腳段預(yù)制拱箱1#或2#節(jié)段拼接安裝

1#或2#節(jié)段拱箱預(yù)制養(yǎng)護(hù)完成后,采用大型運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至施工現(xiàn)場吊裝場地。用其中纜索吊裝設(shè)備將1#或2#節(jié)段拱箱固定、吊運(yùn)至起拱線后緩慢下落至兩側(cè)拱腳支座處,通過螺栓連接固定1#或2#節(jié)段拱箱與拱座。在拱腳段拱箱節(jié)段上布設(shè)扣索,固定好上、下游纜風(fēng)索。通過起重索與扣索連接提升使拱圈節(jié)點(diǎn)接頭達(dá)到控制標(biāo)高,利用纜風(fēng)索與扣索連接協(xié)同調(diào)整,使拱箱軸線與中線對齊。節(jié)點(diǎn)接頭標(biāo)高與拱箱軸線調(diào)整起重索緩慢下降使扣索逐漸持力且緊度增加,直至扣索完全支撐拱肋的狀態(tài),如此2#與4#拱箱節(jié)段連接的接頭標(biāo)高調(diào)整使由松緊扣索實(shí)現(xiàn)。通過纜風(fēng)索來調(diào)整拱箱節(jié)段的軸線對中,收緊并固定好纜風(fēng)索。

圖4 拱腳段拱箱吊裝MISES應(yīng)力云圖

用有限元方法模擬計(jì)算得到,本階段拱箱最大軸力為N=-380.87 kN;拱箱最大彎矩M=356.301 kN·m,相應(yīng)軸力N=-271.479 kN。

2.2 中間段預(yù)制拱箱4#或3#節(jié)段安裝

4#拱箱次邊段的吊裝工藝與2#節(jié)段類似,在拱箱完成運(yùn)輸之后,進(jìn)行安裝,旋轉(zhuǎn)緊固相鄰節(jié)段連接處下邊緣的螺栓,懸掛纜風(fēng)索和扣索,進(jìn)而調(diào)整本節(jié)段拱箱的拱肋中線坐標(biāo)。在本節(jié)段拱箱安裝過程中,還應(yīng)注意:次邊段與拱腳段相互連接在一起,使得相鄰拱箱產(chǎn)生了作用力,導(dǎo)致4#拱箱與2#拱箱的接頭處會相對之前的位置有所下降,因此,需要在此處接頭標(biāo)高穩(wěn)定、不再變化時(shí),進(jìn)行起重索和扣索調(diào)整,將4#拱箱次邊段另一側(cè)接頭,相對于設(shè)計(jì)標(biāo)高,抬升20 cm;收緊本節(jié)段拱箱的扣索,旋轉(zhuǎn)緊固接頭上部的螺栓。

圖5 中間拱箱吊裝MISES應(yīng)力云圖

用有限元方法模擬計(jì)算得到,本階段拱箱最大軸力為N=-935.171 kN;拱箱最大彎矩M=424.800 kN·m,相應(yīng)軸力N=-381.745 kN。

2.3 合攏段預(yù)制拱箱5#節(jié)段安裝

5#拱箱作為中間段,其吊裝運(yùn)輸方式與2#拱箱相同。中間節(jié)段拱箱安裝軸線的精度和接頭標(biāo)高尤為重要,安裝時(shí)通過嚴(yán)格控制扣索來調(diào)整。中間段在下降過程中,應(yīng)使中間段兩端標(biāo)高略高于設(shè)計(jì)標(biāo)高約3 cm,然后沿橋梁縱向中間段兩側(cè)對稱地釋放次邊段扣索索力,直到次邊段向中間靠攏到預(yù)定位置,合攏時(shí)微調(diào)中間段拱箱保證節(jié)點(diǎn)高度和軸線位置符合設(shè)計(jì)要求。

用有限元方法模擬計(jì)算得到,本階段拱箱最大軸力為N=-1080.25 kN;拱箱最大彎矩M=227.861 kN·m,相應(yīng)軸力N=-526.521 kN。

預(yù)制拱橋吊裝安裝時(shí)關(guān)鍵在于拱肋軸線偏位和節(jié)點(diǎn)接頭標(biāo)高的控制。橋面橫向上、下游預(yù)制拱圈的安裝順序參照上述2.1～2.3節(jié)內(nèi)描述的拼裝順序進(jìn)行。整橋拱圈拼接組裝后,采用混凝土澆筑實(shí)做橫向連接構(gòu)件,拆除橫向纜風(fēng)索,整橋拱圈拼接完成,拱圈整體結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立支撐橋梁受力體系。繼續(xù)采用纜索吊裝設(shè)備吊裝、運(yùn)輸、安裝完成拱橋上部結(jié)構(gòu)。最后橋梁建設(shè)完畢,拆除纜索吊裝設(shè)備。

圖6 合攏之后拱箱MISES應(yīng)力云圖(顯示一半)

通過有限元方法模擬計(jì)算分析得到,每階段施工結(jié)構(gòu)受力都在允許的范圍內(nèi),在施工過程中進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測,拱肋應(yīng)力處于正常范圍內(nèi),單片拱肋合攏后全拱處于受壓狀態(tài),合攏拱肋受力良好。

4 結(jié) 論

本文研究了一座典型的上承式混凝土拱橋分段吊裝施工過程,得到如下結(jié)論。

(1)對于施工環(huán)境受限、不宜采用滿堂支架現(xiàn)澆法施工的混凝土拱橋,可采用預(yù)制拱箱分段吊裝施工的方式,纜索吊裝適用性強(qiáng),可優(yōu)先考慮采用。

(2)將拱箱拆分成多段,制作完成之后,安裝應(yīng)遵循:橫向按先中間后兩邊的順序進(jìn)行,縱向?qū)ΨQ于跨中從拱腳至拱頂逐段安裝,每階段施工都應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)受力是否在合理的范圍內(nèi),避免產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)施工過程應(yīng)對關(guān)鍵部位進(jìn)行受力、位移等監(jiān)測,如有異常需實(shí)時(shí)調(diào)整施工方案。