特大橋大跨度系桿拱施工方案設計

吳天恩

（北京鐵城建設監(jiān)理有限責任公司，北京 100855）

系桿拱結(jié)構是拱橋類型的一種，不僅具有拱橋的一般特性，而且融合了梁的優(yōu)點，是拱受壓、梁受彎的結(jié)構性能的有機組合，可以同時具備拱和梁共同承受荷載，在橋梁整體架構上也顯得更為美觀，目前已經(jīng)廣泛應用于鐵路、公路等橋梁結(jié)構設計中，并且隨著我國國民經(jīng)濟發(fā)展和橋梁施工技術的不斷進步，系桿拱施工工藝和施工技術也在不斷創(chuàng)新發(fā)展[1-2]。根據(jù)系桿拱的定義，系桿拱結(jié)構施工是根據(jù)工程施工特點選擇拱和梁的施工順序以及整體結(jié)構承受載荷的提升等內(nèi)容，而在成功案例中先拱后梁的施工方法較為常見[1，3]。對于特大橋大跨度系桿拱施工來說，想要達到預期承受荷載和橋梁美觀的效果，難點在于系梁和拱線控制、拱肋安裝精度控制，以及拱肋焊接工藝控制和拱的對稱性控制等“四控制”[1]。

1 工程概況

某特大橋位于廊坊龍河區(qū)域，工程選擇區(qū)域河道相對順直，河道斷面為單式斷面，河寬33 m，橋梁采用鋼管混凝土系桿拱進行跨越，工程設計線路與河道斜交角度為35°，根據(jù)工程設計，系梁全長148 m，計算跨度144 m，分為A、B 兩個節(jié)段，如圖1 所示。中間矢跨比f/L=1/5，拱肋立面投影矢高28.52 m（28.8×cos8），拱肋采用二次拋物線，拱肋面內(nèi)方程為y=4×28.8（144xx2）/1442，拱頂處兩拱肋中心距7.884 m。其中拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面，每根拱肋的兩鋼管之間用δ＝20 mm 的腹板連接；結(jié)構布置采用剛性系梁剛性拱，梁端采用矩形斷面，普通短采用單箱三室預應力混凝土箱式截面；吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角在50.8～73.1°之間，橫橋向水平夾角為82°，吊桿間距為8 m，兩交叉吊桿之間的橫向中心距為341 mm，吊桿張拉端設置于拱肋端，吊桿內(nèi)設磁通量傳感器以便對施工過程及后期吊桿應力進行長期監(jiān)測，共計設置32 對吊桿；拱肋之間共設7 道橫撐，拱頂處設1 道一字型撐（外徑為1.5 m 的圓形鋼管），其余為6 道K 撐（外徑為1.5 m 及0.9 m 的圓形鋼管），鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

圖1 系梁施工節(jié)段劃分示意圖

基于此，本橋系桿拱施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用鉆孔樁基礎＋鋼管柱貝雷片膺架法現(xiàn)澆施工，梁部分為中間A 節(jié)段52 m、兩側(cè)B 節(jié)段各48 m。系梁按3 節(jié)段、分段預壓，由中間向兩端方向?qū)ΨQ施工，先施工中間A 節(jié)段52 m，然后兩步施工兩側(cè)B 節(jié)段各48 m。

2 重點工程施工

2.1 系梁支撐體系施工

根據(jù)施工方案設計，系梁采用鉆孔樁基礎＋螺旋鋼管+貝雷梁支撐體系。支架體系從上往下布置依次為15 mm 竹膠板底模+（9 cm×9 cm）橫向方木（距墩中心9.2 m 內(nèi)方木間距15 cm，其余方木間距為25 cm）+單層貝雷梁+雙拼工字鋼（2I63a）+砂箱+630 mm×10 mm鋼管立柱+混凝土系梁（長1 m，寬1 m，高0.5 m）+鉆孔灌注樁基礎（樁長為19 m）。系梁下部共設置14 排鋼管柱，每排均為5 根直徑630 mm 鋼管，鋼管底部設置直徑1 m、樁長19 m 的混凝土鉆孔樁基礎。鋼管柱跨度布置形式：12、6、15、6、15、6、15、6、15、6、15、6、12 m，共14 排，每排橫向間距3.9、3.65、3.65、3.9 m。橫向分配梁上搭設根據(jù)單層貝雷片梁。

2.1.1 鉆孔樁、系梁施工

鉆孔樁設計樁長為19 m，除頂部12 m 外，其余位置采用素混凝土樁基礎。樁頂12 m 范圍內(nèi)：主筋12 m（其中0.5 m 伸入系梁），主筋為17 根HRB400Φ20，加強圈6 個HRB400Φ20，箍筋間距20 cm。鉆孔樁基礎頂系梁采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構，高0.5 m，長1 m，寬1 m；混凝土上下層設直徑20 cm 防裂鋼筋網(wǎng)片，間距15 cm×15 cm。為防止壓裂破壞，側(cè)面直徑為12 mm 箍筋按照間距10 cm 布置，縱向配置7 根直徑16 mm 的鋼筋為構造筋。河中鉆孔樁共12 排、每排5 顆，共60 顆支撐樁，鉆孔樁施工采用反循環(huán)鉆機。鉆孔樁頂標高12.538 m，樁頂系梁頂標高13.038 m，系梁頂位于梁床以下20.2 cm。

2.1.2 支架預壓及預拱高調(diào)整

為檢驗搭設支架的基礎、底模、側(cè)模的強度、剛度及穩(wěn)定性，消除混凝土澆筑前支架因基礎不穩(wěn)定、底側(cè)模應力強度不均勻發(fā)生非彈性變形，在進行混凝土澆筑前需對搭設支架進行預壓檢測及調(diào)整。根據(jù)工程要求，預壓必須堅持：質(zhì)量應當不低于最大施工荷載的110%，預壓順序為先A 后B、橫向先中線后兩側(cè)、縱向中心向兩端，A 段預壓時應介入B 段不小于2 m 等原則。全橋預壓采用砂袋預壓。根據(jù)預壓檢測結(jié)果對支架發(fā)生的彈性形變及非彈性形變進行評估，并且根據(jù)評估結(jié)果調(diào)整系梁底模標高設置預拱高，以確保施工橋梁的梁體線形滿足設計要求。

2.2 預埋件埋設

預埋件埋設主要包括拱腳節(jié)段預埋、吊立桿預埋、以及其他預埋件埋設：①拱腳預埋骨架，根據(jù)設計圖紙拱肋坐標，焊接定位拱肋支架，拱肋支架間距50 cm，拱肋頂部2 m 范圍的拱肋支架高出拱肋50 cm，拱肋定位準確后將拱肋支架焊接成整體，防止?jié)仓袄呋炷習r拱肋上浮、偏移；②系梁吊桿預埋共計16 對，吊力桿預埋鋼管時應嚴格控制預埋孔位的角度，安裝時采用角度尺粗調(diào)，全站儀精調(diào)，確保預埋角度精確；③施工時應根據(jù)接觸網(wǎng)圖紙埋設接觸網(wǎng)預埋件、接觸網(wǎng)橋面加強鋼筋、拉線預埋件、拉線橋面加強筋，還應注意電纜槽托架套筒預埋，泄水孔、通風孔、綜合接地、防護墻、豎向，經(jīng)計算拱肋支架基礎處還需增加橋面加強筋等的預埋。

2.3 拱肋施工

待拱肋支架搭設驗收完成，并經(jīng)支架預壓檢測修正后，將分段加工完成的拱肋進行預拼，其目的是對其跨徑、拱軸線、水平度（拱軸線橫向偏移）及吊桿位置準確性進行全面檢查，最大限度地消除拱肋節(jié)段的加工偏差，為工地吊裝做好準備。拱肋的安裝主要包括起吊→就位→連接→精確調(diào)整→點焊固接→調(diào)整拱肋線型→安裝橫撐→焊接→探傷檢測。通過計算，拱肋最大重量為35.467 t，最大起吊高度38.5 m，最大工作半徑12 m，根據(jù)需求選擇200 t 吊車，直徑30 mm、鋼絲強度極限值2 000 N/mm2的鋼絲繩進行吊裝。拱肋吊裝采用雙點起吊，在吊裝過程中要對主拱線形進行復測，以便滿足安裝精度，待吊裝后焊接完成后，對拱肋所有焊縫進行攤上，補漆。拱肋內(nèi)混凝土分3 次頂升施工，首先對稱灌注拱肋下管混凝土，待下管混凝土達到設計要求100%后，對稱灌注拱肋上管混凝土；上管混凝土灌注達到設計強度100%后，對稱灌注拱肋腹腔混凝土；待混凝土強度達到設計強度的80%后，應將導管外露部分切除，并將從該處切割下來的圓板再焊接回原位（去掉熱力影響范圍2～3 mm）并打磨平順。

3.4 吊桿安裝及張拉

吊桿按尼爾森體系布置，在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角在50.8～73.1°之間，吊桿縱向間距為8 m，兩交叉吊桿之間的橫向中心距離為0.341 m，吊桿均采用127 根Φ7 高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES（FD）低應力防腐索體，并外包不銹鋼防護。吊桿張拉端設置于拱肋端。吊桿內(nèi)設磁通量傳感器以便對施工過程及后期吊桿應力進行長期監(jiān)測，全橋共設32 對吊桿。安裝工藝流程：①待主梁及拱肋施工完成后，利用拱下支架，在拱肋頂上搭設施工平臺，作為導向滑車固定支架，在橋面布置提升卷揚機；②吊桿進場后，將吊桿運輸至安裝位置；③提升卷揚機鋼絲繩經(jīng)滑車導向后，沿拱肋端索導管下放至橋面，與吊桿拱肋端連接；④提升拱肋端錨頭至拱肋端索導管口處，施工人員通過手拉葫蘆調(diào)整吊桿角度，輔助吊桿錨頭穿過拱肋端索導管，用錨頭螺母錨固；⑤安裝梁端錨頭并用螺母錨固；⑥根據(jù)監(jiān)控指令，對吊桿進行張拉；⑦橋面系鋪裝完成后，進行全橋索力調(diào)整。吊桿張拉完成后，應當對吊桿的錨具、索道管等進行防護。

3 預應力工程

3.1 設備選擇

縱向預應力筋采用高強度低松弛鋼絞線，抗拉標準強度1 860 MPa，公稱直徑15.2 mm，公稱截面積140 mm2。預應力筋張拉力根據(jù)設計要求的控制應力計算：P=張拉控制應力×預應力筋截面積。

縱向鋼束及橫向圓錨最大規(guī)格為15～15.2 mm，張拉控制應力1 302 MPa，張拉力P=15×140×1 302/1 000=2 734.2 kN（279 t），為安全可靠，選用1.2～1.5 倍張拉能力設備在334.8～418.5 t 中間，張拉設備選用400 t（1.43 倍）穿心式千斤頂和與之配套的油泵。

橫向扁錨張拉應力1 302 MPa，張拉力P=1×140×1 302/1 000=182.28 kN（18.6 t）。為安全可靠，選用1.2～1.5 倍張拉能力設備在22.32～27.9 t 中間，張拉設備選用25 （t1.34 倍）穿心式千斤頂和與之配套的油泵。

3.2 理論伸長值及實際伸長量計算

預應力筋張拉前應計算每一束預應力筋的伸長值，作為張拉時與預應力筋實際伸長值的對比依據(jù)。其張拉程序為0→0.1σk→0.2σk→σk（量伸長值）持荷5 min→錨固并測定回縮量?？砂聪率接嬎銖秃?/p>

式中：Pp為張拉力，N；L為預應力筋的長度，mm；Ap為預應力筋的截面面積，mm2；Ep為預應力筋的彈性模量，N/mm2。

鋼束張拉采用雙控措施，預施應力值以油壓表讀數(shù)為主，以預應力筋伸長值進行校核。預應力筋張拉的實際伸長值△L，按照下式計算

式中：X為張拉至σk時的伸長量，mm；X1為張拉至0.1σk時的伸長量，mm；X2為張拉至0.2σk時的伸長量，mm。

3.3 張拉次序

3.3.1 縱向預應力張拉順序

A 段混凝土強度達到設計值95%，彈性模量達到設計值100%，且齡期不小于7 d 后，張拉縱向預應力鋼束T2、B2；B 段凝土強度達到設計值95%，彈性模量達到設計值100%，且齡期不少于7 d 后，張拉剩余縱向預應力鋼束，其中G1-G3 鋼束單端張拉。

3.3.2 橫向預應力張拉順序

N1、N2、N4-N6 在系梁養(yǎng)護達到14 d 后進行張拉，N3、N7 在系梁養(yǎng)護達60 d 后張拉，預應力鋼束在張拉完成后及時壓漿封錨；鋼束張拉順序為N5-N4-N1-N6-N3-N7。

3.4 張拉工藝

預施應力采用雙控，以張拉力控制為主，預應力筋伸長值作校核。預應力筋的張拉應從零拉力加載至初拉力，測量伸長值初讀數(shù)，再分級以均勻速度加載并測量伸長值至張拉控制力，達到張拉控制力后，宜持荷5 min。預應力筋在張拉控制應力達到穩(wěn)定后方可錨固。

3.5 孔道壓漿

終張拉完畢后48 h 內(nèi)完成孔道壓漿。壓漿工藝應符合下列規(guī)定：①壓漿順序先下后上，曲線孔道宜從最低點的壓漿孔壓入，由最高點的排氣孔排氣或泌水。②壓漿前應清除梁體孔道內(nèi)的雜物和積水。③同一孔道壓漿應連續(xù)進行，一次完成。④壓漿時的漿體溫度應在5～30 ℃之間，壓漿時及壓漿后3 d 內(nèi)，梁體及環(huán)境溫度不低于5 ℃，否則應采取保溫措施，以滿足要求。壓漿過程中，應防止?jié){液噴撒到行車道路上，污染路面。

4 結(jié)束語

該工程為系桿拱橋，粱部采用支架施工，拱部在梁上搭設支架逐段拼裝，橋梁的形成要經(jīng)過一個較為復雜的過程，施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，且這種相互影響又有差異，這就造成各階段結(jié)構的位移隨著施工過程變化而偏離設計值的現(xiàn)象，甚至超過設計允許的位移。為了能夠?qū)こ套兓靶巫冞M行及時發(fā)現(xiàn)、控制和調(diào)整，必須構建完善的監(jiān)控系統(tǒng)，對橋主梁的撓度、應力等施工控制參數(shù)進行實時監(jiān)控，保證成橋后主梁線形、結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)等符合設計要求。