大跨度系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

【摘要】文中以連申線航道整治工程（海安段）QL1標(biāo)江中大橋主橋?yàn)槔?，?duì)大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土系桿拱橋預(yù)制與架設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，針對(duì)傳統(tǒng)支架施工所面臨投入大、工期長(zhǎng)、拱圈節(jié)段間濕接頭質(zhì)量難控制等問題，采取全新的整體放樣、分段預(yù)制，拱圈架設(shè)應(yīng)用螺旋管簡(jiǎn)易支架和半剛性濕接頭工藝，使得整個(gè)工程在安全、質(zhì)量、成本和工期上均取得較好的效果，為后續(xù)類似橋梁工程施工提供相關(guān)參考。

【關(guān)鍵詞】大跨度；系桿拱橋；半剛性濕接頭

【中圖分類號(hào)】U448.22+5" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）01-0144-04

0 引言

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式常見的有懸索橋、斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和系桿拱橋，其中系桿拱橋以造型美觀、材料節(jié)省、造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)著稱。系桿拱橋造型美觀，給人一種“長(zhǎng)虹臥波”的視覺美感，同時(shí)還兼具跨度大、結(jié)構(gòu)受力合理、用材節(jié)省、施工方便、運(yùn)營(yíng)維管簡(jiǎn)單且費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，全國(guó)各地越來(lái)越多采用系桿拱橋這類橋型跨越高速公路、水運(yùn)航道、鐵路等既有線[1]。

系桿拱橋施工方法常采用滿堂支架整體現(xiàn)澆法和分段預(yù)制拼裝法。其中滿堂支架整體現(xiàn)澆法需要投入大量支架材料，且占用跨越線路時(shí)間長(zhǎng)，施工時(shí)間長(zhǎng)鋼筋容易生銹，既有線交通安全隱患大等問題。傳統(tǒng)零散分段預(yù)制拼裝法存在拱圈線形質(zhì)量難掌控[2]，拱肋和系桿之間的吊桿孔定位不準(zhǔn)確，系桿節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力管道無(wú)法順接，拱圈的柔性濕接頭剛度不夠，架設(shè)完成后拱圈易開裂，支架占用時(shí)間長(zhǎng)等問題，工程施工組織時(shí)應(yīng)予以研究。

1 工程背景

連申線航道整治工程（海安段）QL1標(biāo)江中大橋位于江蘇省海安市海安鎮(zhèn)既有的丹鳳路，橫跨連申線航道。江中大橋主橋設(shè)計(jì)形式為下承式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土系桿拱橋，主跨跨徑87m（計(jì)算跨徑85m），全橋共有16×2根高強(qiáng)平行鋼絲成品柔性吊桿，吊桿成品索的規(guī)格設(shè)計(jì)為φs7-85，相鄰吊桿間距5m，系桿設(shè)計(jì)為箱室造型，箱室四周設(shè)有縱向預(yù)應(yīng)力，吊桿對(duì)應(yīng)位置為實(shí)芯段，拱肋采用等截面“工”字形鋼筋混凝土，拱軸線為二次拋物線，拱軸線方程為y=（4fx/L2）（L-x），兩道拱肋之間采用四道橫向鋼筋混凝土風(fēng)撐聯(lián)結(jié)，通過(guò)拱肋、系桿、吊桿、橫梁和風(fēng)撐等構(gòu)建成一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)體系。

2 問題解決方法

江中大橋主橋設(shè)計(jì)為大跨度下承式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土系桿拱橋，為了避免系桿拱橋在施工過(guò)程中搭設(shè)大量支架對(duì)既有線交通運(yùn)輸造成不利影響，摒棄傳統(tǒng)的滿堂支架整體現(xiàn)澆法作業(yè)，采用螺旋管簡(jiǎn)易支架進(jìn)行架設(shè)的新工藝。

為了避免系桿拱橋拱圈因預(yù)制精度不夠，造成后期架設(shè)成拱難度大、拱圈吊桿孔不對(duì)應(yīng)等問題，摒棄傳統(tǒng)的零散分段預(yù)制法，采用將拱圈進(jìn)行整體放樣，連續(xù)分段預(yù)制的新工藝，可以在拱圈節(jié)段混凝土澆筑前復(fù)核拱肋和系桿上的吊桿預(yù)埋孔道是否一一對(duì)應(yīng)，以及系桿相鄰節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力管道是否順接，是否滿足施工需求。

系桿拱橋架設(shè)組裝施工的接頭常見類型有柔性濕接頭和半剛性接頭，為了保證江中大橋主橋系桿拱拱圈的質(zhì)量，施工過(guò)程中摒棄傳統(tǒng)的柔性濕接頭，采用新型的半剛性濕接頭。

拱圈拼裝架設(shè)采用柔性濕接頭施工時(shí)，將預(yù)制好的拱肋按照設(shè)計(jì)坐標(biāo)分段放置在支架上，連接鋼筋立模，然后直接澆注濕接頭混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可拆除模板支架使拱肋成拱。該類濕接頭對(duì)應(yīng)的支架搭設(shè)面積要求比較多，對(duì)支架承載能力要求高，且落架時(shí)間比較晚，對(duì)跨越既有線的交通恢復(fù)慢。采用新型半剛性接頭施工則是在拱圈預(yù)制時(shí)將型鋼（或鋼板）作為濕接頭的核心部分提前預(yù)埋好。拱圈在安裝時(shí)，先將半剛性濕接頭核心部分的型鋼（或鋼板）連接固定好，半剛性濕接頭的核心部分就能承受軸向壓力，提高拱圈的整體剛度和穩(wěn)定性。拱圈采用半剛性濕接頭架設(shè)對(duì)支架的要求較低，每個(gè)節(jié)段只需兩個(gè)支點(diǎn)簡(jiǎn)支即可，拱頂合龍段拱肋可以不需要搭設(shè)支架，利用合龍段拱肋的自重和半剛性濕接頭的預(yù)埋型鋼抵撐形成穩(wěn)定的拱圈，不僅提高了濕接頭的安全性和質(zhì)量，還可以減少支架使用數(shù)量，加快系桿拱的落架速度，極大提高系桿拱橋架設(shè)的施工工效，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。

3 施工具體做法

為確保安全、質(zhì)量、工期，節(jié)約成本投入，采用整體放樣、分段預(yù)制，半剛性濕接頭配合螺旋管簡(jiǎn)易支架架設(shè)進(jìn)行施工。

3.1 拱圈整體放樣、分段預(yù)制

系桿拱圈采用預(yù)制拼裝法施工，擬采用每側(cè)系桿和拱肋除拱肋端塊件外分三段——邊段、中段、邊段，整個(gè)拱圈共分成8個(gè)塊段進(jìn)行預(yù)制（見圖1）。拱肋間現(xiàn)澆濕接頭設(shè)計(jì)為半剛性濕接頭，接頭處設(shè)置濕接頭核心鋼板。為方便預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸，系桿拱圈的預(yù)制場(chǎng)選在離橋址不遠(yuǎn)的一處平整場(chǎng)地內(nèi)，場(chǎng)地臨近河道深水側(cè)（方便浮吊等作業(yè)設(shè)備），在拱肋預(yù)制好后采用浮吊船將拱圈各塊件吊運(yùn)至搭好的支架上進(jìn)行拼裝。拱圈預(yù)制采用平臥疊澆法施工，支架采用鋼管貝雷梁支架系統(tǒng)。拱肋安裝前先將拱腳、系桿、橫梁安裝到位，安裝拱肋時(shí)先安裝邊段拱肋再安裝中段拱肋。拱肋安裝好調(diào)整好中線后澆筑接頭混凝土，兩片拱肋合龍成拱后立即安裝風(fēng)撐，然后逐步拆除橫向穩(wěn)定纜風(fēng)繩。

在江中大橋8#主墩（小里程）上游側(cè)設(shè)置主橋系桿拱的預(yù)制場(chǎng)地，采用AutoCAD繪制預(yù)制臺(tái)座設(shè)計(jì)圖并計(jì)算出坐標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀整體放樣，并通過(guò)鋼尺復(fù)核放樣結(jié)構(gòu)，整體連續(xù)分段預(yù)制。臺(tái)座及地基必須有足夠的強(qiáng)度和承載力，并按照?qǐng)D紙要求設(shè)置一定的預(yù)拱度。經(jīng)計(jì)算，地基承載力需達(dá)到150kPa，預(yù)制場(chǎng)地先平整壓實(shí)，清表后填筑30cm碎石土，振動(dòng)軋路機(jī)碾軋密實(shí)，經(jīng)檢測(cè)承載力滿足要求。在處理好的地基上砌筑40cm塊石做為底模基礎(chǔ)，然后在基礎(chǔ)上澆筑15cm厚的C25混凝土面層，為保證底模光潔在面層上貼一層絕緣板，臺(tái)座底部預(yù)留吊裝孔。為節(jié)約預(yù)制場(chǎng)地采取疊加預(yù)制法，即先在臺(tái)座上預(yù)制上游側(cè)的系桿拱圈，然后在預(yù)制好的系桿拱橋上修建臨時(shí)臺(tái)座預(yù)制下游側(cè)的系桿拱圈（因預(yù)制場(chǎng)設(shè)置在上游側(cè)，吊裝作業(yè)先架設(shè)下游側(cè)的系桿拱拱圈，方便吊裝設(shè)備作業(yè)）。拱肋預(yù)制時(shí)在接頭處預(yù)埋勁性骨架鋼板或型鋼，可在勁性骨架鋼板或型鋼上采取預(yù)留螺栓孔措施。安裝時(shí)可采用同類型的鋼板或型鋼通過(guò)高強(qiáng)螺栓實(shí)現(xiàn)快速定位和連接，讓吊裝設(shè)備（浮吊）盡快脫鉤，縮短吊裝時(shí)間。支架體系采用螺旋鋼管+貝雷梁的組合支架，在節(jié)省大量支架投入的前提下還能實(shí)現(xiàn)支架體系的快速安拆，提高施工工效。拱肋及拱肋端塊件采用木模，系桿橫梁等采用鋼模施工，無(wú)論采用何種模板必須保證模板具有足夠的強(qiáng)度、剛度，確保構(gòu)件幾何形狀。

3.2 螺旋管簡(jiǎn)易支架體系施工

由于受連申線航道通航的條件限制，在航道上方不允許架支架，以保證凈高需要，所以只能采用獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)，即只在兩個(gè)構(gòu)件連接處設(shè)置支架，構(gòu)件其余部位不設(shè)豎向支架。根據(jù)工期需要、荷載情況和穩(wěn)定性的要求，立柱采用組合立式貝雷片，通過(guò)支撐架或貝雷片連接，比貝雷片平放的承載力要高，穩(wěn)定性也要高，所用材料要少，安裝快捷。立柱底部安裝礎(chǔ)板，通過(guò)螺栓連接在基礎(chǔ)樁的工字鋼上，頂部有上頂板，用于安裝立柱支撐蓋梁。根據(jù)資料，立柱的貝雷片，一般在不計(jì)算穩(wěn)定損失的情況下，每片可以承受1000～1500kN的荷載。根據(jù)荷載情況，確定支架的結(jié)構(gòu)形式。

全站儀定位系桿拱橋臨時(shí)支架的樁位，采用起吊設(shè)備配合振動(dòng)錘施打螺旋管樁，螺旋管樁公稱直徑、壁厚和入土深度應(yīng)經(jīng)檢算和荷載預(yù)壓試驗(yàn)。

螺旋管樁支架預(yù)壓采用液壓千斤頂反壓：在試壓的螺旋管樁兩側(cè)設(shè)置兩根預(yù)壓支架螺旋管樁，在預(yù)壓支架螺旋管樁頂端架設(shè)反壓橫梁（反壓橫梁橫跨試壓螺旋管樁上部），試壓螺旋管樁頂口安設(shè)型鋼作為液壓千斤頂?shù)闹纹脚_(tái)，將液壓千斤頂安裝在反壓橫梁和支撐平臺(tái)之間后施加到設(shè)定壓力，觀測(cè)試壓的螺旋管樁的沉降量，滿足施工需求后可停止螺旋管樁的沉樁工作。

螺旋管樁上端采用貝雷梁組合體系，可在岸邊組裝整體吊裝定位安設(shè)，在貝雷梁上定位安放臨時(shí)調(diào)節(jié)支座（沙箱），調(diào)整至預(yù)頂高程即完成支架體系搭設(shè)。少支架沙箱支撐點(diǎn)選擇在離濕接頭合理距離的位置將拱肋擱置成雙懸臂簡(jiǎn)支梁，這樣不僅受力明確還能減小跨中彎矩[4]。江中大橋系桿拱橋架設(shè)的支架體系見圖2所示，拱肋支撐局部示意圖見圖3所示。

3.3 預(yù)制構(gòu)件翻身與運(yùn)輸

系桿拱圈分段預(yù)制完成，經(jīng)養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，復(fù)核尺寸及預(yù)埋件（管道）位置準(zhǔn)確無(wú)誤后即可進(jìn)行構(gòu)件翻身和運(yùn)輸。系桿屬于直線型構(gòu)件，可通過(guò)鋼絲繩穿過(guò)吊裝孔后捆綁構(gòu)件直接進(jìn)行翻身和運(yùn)輸。拱肋屬于弧形構(gòu)件，無(wú)法確保翻身后鋼絲繩能捆綁緊，會(huì)造成運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)晃動(dòng)以至于無(wú)法準(zhǔn)確定位著落，需要將拱肋構(gòu)件完成翻身后在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行二次捆綁。由于拱肋是弧形構(gòu)件，翻身后需要搭設(shè)與其弧度相適應(yīng)的支架進(jìn)行臨時(shí)支撐，確保構(gòu)件不會(huì)因兩端受力造成損傷，但搭設(shè)臨時(shí)支架需要時(shí)間較長(zhǎng)，且小型支架體系穩(wěn)定性較難保證，本工程拱肋翻身臨時(shí)支架采用“土牛拱胎”支撐，該方法較傳統(tǒng)支架法更經(jīng)濟(jì)、更省時(shí)。

“土牛拱胎”在剛度、穩(wěn)定性、傳力性能方面優(yōu)于腳手架，由于“土牛拱胎”的受力情形與拱肋構(gòu)件受自重力情形相近，且屬于全斷面接觸，可確保構(gòu)件自身穩(wěn)定。

構(gòu)件完成翻身后進(jìn)行運(yùn)輸前鋼絲繩捆綁，吊點(diǎn)設(shè)置在構(gòu)件L/4處，防止鋼絲繩破壞構(gòu)件棱角，捆綁鋼絲繩前在構(gòu)件與鋼絲繩之間墊防護(hù)角墊。逐步加大卷?yè)P(yáng)提升力，先將構(gòu)件緩慢抬離地面約20cm，再次檢查構(gòu)件捆綁是否牢固，微調(diào)整構(gòu)件水平，滿足要求后由浮吊吊運(yùn)構(gòu)件前往橋址施工位置，為構(gòu)件安裝做準(zhǔn)備。

3.4 半剛性接頭的應(yīng)用

系桿拱橋拼裝架設(shè)采用半剛性結(jié)構(gòu)的控制要點(diǎn)：拱肋施工分為預(yù)制和吊裝兩個(gè)部分。拱肋預(yù)制施工控制要點(diǎn)為拱肋線形控制及半剛性接頭裝配件控制，吊裝施工控制要點(diǎn)為前期支架搭設(shè)和吊運(yùn)、安裝對(duì)接控制。拱肋預(yù)制期間的線形控制是保證拱肋后期拼裝時(shí)能否準(zhǔn)確對(duì)接以及拱肋成拱后線形能否滿足設(shè)計(jì)拋物線形的關(guān)鍵，也是拱肋在橋梁后期承受荷載時(shí)能否滿足使用要求的前提因素。拱肋采用半剛性接頭，接頭鋼板安裝位置是否準(zhǔn)確、鋼板表面是否垂直于拱肋軸線直接影響到拱肋拼裝時(shí)接頭對(duì)接的嚴(yán)密性。

江中大橋主橋系桿拱圈的拱肋設(shè)計(jì)分為三段預(yù)制，邊段長(zhǎng)27.5m，中段長(zhǎng)22m，濕接縫寬60cm。采用少支架法施工三段拱肋按理需要6組支架，大多數(shù)情況中拱肋支架占在主航道的位置，影響航道通航安全。采用半剛性濕接頭可在中拱肋和邊拱肋的勁性骨架對(duì)接定位完成后將支架上的沙箱與中拱肋的吊裝起重索同時(shí)下降，將三段拱肋與拱腳、系桿共同形成拱圈，這樣不僅可以加快施工速度，還節(jié)省了中拱肋的2組支架。

拱肋半剛性濕接頭的高度，必須由半剛性濕接頭的最小剛度決定，即系桿拱橋拱肋全長(zhǎng)均按半剛性濕接頭斷面計(jì)算時(shí)，且拱肋自重按全斷面自重計(jì)算時(shí)，雙鉸拱能維持自身的縱向穩(wěn)定[5]。

拱圈定位安裝時(shí)應(yīng)盡量減小偏心力矩，半剛性濕接頭的勁性骨架連接應(yīng)盡可能做成平鉸連接，鉸心截面高度應(yīng)控制在濕接頭全截面高度的1/3以內(nèi)，確保鉸接截面高度在斷面核心范圍以內(nèi)。江中大橋拱肋（拱腳）半剛性濕接頭設(shè)計(jì)示意圖見圖4。

半剛性濕接頭處的箍筋應(yīng)做加密處理，濕接頭混凝土采用較拱肋混凝土強(qiáng)度高一個(gè)等級(jí)的細(xì)石混凝土澆筑，半剛性濕接頭處混凝土保護(hù)層厚度宜控制在5～7cm。

采用midas civil對(duì)江中大橋主橋系桿拱的拱肋與拱腳、系桿形成拱圈后的內(nèi)力做具體分析和計(jì)算，結(jié)果見圖5―圖7所示[6]。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，采用半剛性濕接頭合龍后拱肋內(nèi)的彎矩與成橋后的恒載彎矩相反，疊加后對(duì)結(jié)構(gòu)受力變?yōu)橛欣?/p>

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)連申線航道整治工程Q1標(biāo)江中大橋主橋大跨度系桿橋的施工，結(jié)論如下。

（1）系桿拱圈采取整體放樣、分段預(yù)制確保了拱圈的拱肋與系桿的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，提高了預(yù)制精度，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)主橋下部基礎(chǔ)和上部構(gòu)件預(yù)制同步施工，加快了施工速度，有助于節(jié)省工期和成本。

（2）系桿拱圈在安裝架設(shè)時(shí)采用螺旋管簡(jiǎn)易支架體系施工，不僅減少了支架材料的投入，還加快了支架搭設(shè)和拆除的速度，節(jié)省對(duì)河道的占用時(shí)間，有助于節(jié)約成本和保證安全。

（3）拱圈成拱采用半剛性濕接頭，不僅可以提高濕接頭質(zhì)量、增強(qiáng)拱圈的整體剛度，還能加快拱圈成拱和落架的速度，減少對(duì)跨越線路交通運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

江中大橋采用該施工方法，經(jīng)綜合測(cè)算，較傳統(tǒng)工藝節(jié)省支架用量300余噸，節(jié)省工期約2.5個(gè)月，節(jié)省成本350余萬(wàn)元，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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[作者簡(jiǎn)介]張斌（1988—），男，漢族，山東日照人，本科，工程師，研究方向：工程管理。