鳳凰二橋多跨葵花形混凝土拱橋施工技術(shù)

秦星

摘要：廣州南沙鳳凰二橋是多跨連續(xù)葵花形混凝土拱橋，且地處華南富淤泥質(zhì)地域，跨越Ⅵ級(jí)通航水道。本文從主橋支架、體系轉(zhuǎn)換、主腹拱結(jié)合部施工等方面，介紹了主橋復(fù)合支架多孔對(duì)稱(chēng)、雙幅同步施工工藝，體系轉(zhuǎn)換階段多孔同步分級(jí)落架、系桿分次張拉的拱腳水平推力控制措施，以及腹拱根部用臨時(shí)柔性鉸替代砼半鉸避免該處混凝土局部開(kāi)裂的辦法，提供了華南地區(qū)多跨連續(xù)葵花形砼拱橋拱梁施工的成功范例。

【關(guān)鍵詞】多跨；葵花形；拱橋

拱橋因?yàn)樗男螒B(tài)優(yōu)美，而工程造價(jià)低廉，但是結(jié)構(gòu)的承載力大而成為一種廣泛的橋梁結(jié)構(gòu)形式，葵花形拱橋因?yàn)樗脑煨洼p盈、通透，像葵花的花瓣而得名。作為一種結(jié)構(gòu)新穎、造型優(yōu)美的上承式混凝土拱橋，葵花形拱橋采用腹拱橫跨主墩直接連接兩邊主拱，大拱上面疊小拱，給結(jié)構(gòu)賦予了更強(qiáng)的層次感，使其既有傳統(tǒng)拱橋的厚重美，又由于其線條優(yōu)美而顯現(xiàn)代靈動(dòng)美，且大幅度提高了橋下凈空。預(yù)應(yīng)力葵花拱結(jié)構(gòu)同時(shí)具備拱橋和連續(xù)剛構(gòu)橋梁的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)系桿的使用，平衡拱腳的水平推力，減小對(duì)地基承載力的要求，對(duì)于地質(zhì)條件不良且有通航要求的河段，是一種很有潛力的新橋型。

1.工程概況

1.1 總體布置

廣州南沙鳳凰二橋起點(diǎn)樁號(hào)為K2+384，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+696，全長(zhǎng)0.312km，由中間的四跨混凝土連拱和兩岸跨混凝土拱梁組合而成，跨徑組合為40m+4x58m+40m，橋梁的寬度為40.9m，分上下兩幅，單幅橋面寬度19.85m，兩幅橋中央分隔帶凈寬為1.2m。

1.2 施工條件

鳳凰二橋上跨上橫瀝水道，航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅵ級(jí)，橋址處地勢(shì)相對(duì)較平坦，枯水期橋區(qū)水深約8～12m。覆蓋層從上而下依次為飽和流塑淤泥、松散的粉細(xì)砂、全風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖。

2.項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)

與國(guó)內(nèi)外眾多已建成的砼拱橋相比，鳳凰二橋最大的特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)為多跨連續(xù)拱，且地處富淤泥質(zhì)地域，無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)大的邊墩來(lái)抵抗結(jié)構(gòu)體系的水平推力。因此，如何在施工中成功控制該水平推力，制定一套完整適用的施工方法，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、順利成橋的目的，是該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)難題。

鑒于該橋結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜、拱橋水平推力控制及支架拆除等體系轉(zhuǎn)換工作難度大等特點(diǎn)，其施工技術(shù)重點(diǎn)放在以下幾個(gè)方面（1）主橋支架設(shè)計(jì)，確定主拱支架的合理剛度、腹拱及主梁支架的合理形式，并進(jìn)行支架穩(wěn)定性分析；（2）控制拱腳水平推力，優(yōu)化體外預(yù)應(yīng)力系桿的張拉時(shí)機(jī)和張拉力的大?。唬?）體系轉(zhuǎn)換，優(yōu)化支架落架順序，確保結(jié)構(gòu)安全過(guò)渡到成橋狀態(tài)；（4）混凝土拱肋結(jié)構(gòu)抗裂，從設(shè)計(jì)和施工角度規(guī)避腹拱拱腳等局部應(yīng)力集中問(wèn)題。

3.主橋支架設(shè)計(jì)及施工

3.1 支架整體布置

考慮到橋區(qū)所在Ⅵ級(jí)航道受橋高限制，組織大型浮吊設(shè)備進(jìn)場(chǎng)難度很大，結(jié)合本工程工期緊的特點(diǎn)，本項(xiàng)目的主橋現(xiàn)澆支架選用施工時(shí)間相對(duì)較短的少點(diǎn)支架與滿(mǎn)堂支架組合的方案。

岸側(cè)拱梁現(xiàn)澆支架（60#-61#墩、65#-66#墩）采用下部鋼管立柱與上部碗扣式支撐架組成的復(fù)合支架，腹拱及拱上縱梁現(xiàn)澆支架采用碗扣式滿(mǎn)堂支架，通航孔處的現(xiàn)澆支架（62#-63#墩）采用鋼管樁基礎(chǔ)與上部碗扣式支撐架組成的復(fù)合支架，并設(shè)置30m×6m凈空臨時(shí)通航孔，其余水上現(xiàn)澆支架（61#-62#墩、63#-65#墩）采用鋼管樁基礎(chǔ)加上部碗扣式滿(mǎn)堂支撐架組合的復(fù)合支架。

3.2 支架施工工藝

施工準(zhǔn)備—鋼管樁施沉—平聯(lián)、斜撐制安—主橫梁安裝—鋼桁拱架、貝雷梁安裝—分配梁安裝—碗扣支架搭設(shè)—支架驗(yàn)收。

3.3 主橋支架施工

3.3.1鋼管樁施沉。本橋主橋支架共計(jì)428根螺旋鋼管樁，有φ1000x10、φ800x10、φ630x14、φ630x8四種樁型，根據(jù)需要采用打樁船+D-80柴油錘和履帶吊+DZ90液壓振動(dòng)錘兩種方式沉放。

3.3.2平聯(lián)、斜撐制安。平聯(lián)與鋼管樁之間的連接采用 “哈佛接頭”，根據(jù)相貫線，提前在后場(chǎng)下料。部分平聯(lián)需要與墩身連接（扶墻）墩身施工時(shí)提前做好預(yù)埋件埋設(shè)。

3.3.3主橫梁安裝。主橫梁采用雙拼HN700、雙拼HM588型鋼，采用后場(chǎng)備料加工、前場(chǎng)將焊接固定。

3.3.4鋼桁拱梁、貝雷梁安裝。為確保主拱通航，采用33m×3.3m鋼拱架作為上部支撐結(jié)構(gòu)，上下弦桿采用HN700×300型鋼。鋼拱架在后場(chǎng)加工，現(xiàn)場(chǎng)用浮吊整體安裝就位。

3.3.5非通航孔的主縱梁采用“321”貝雷梁，預(yù)先在陸上拼裝成長(zhǎng)度9m、12m、15m單層結(jié)構(gòu)形式，采用浮吊或履帶吊安裝就位。安裝時(shí)，貝雷梁的支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于銷(xiāo)軸連接節(jié)點(diǎn)位置，其他位置用豎桿加強(qiáng)，各組貝雷梁之間每隔9m用∠75×75×6mm角鋼剪刀撐聯(lián)結(jié)成整體，橫向用U形限位卡、端頭用I14工字鋼焊接固定在主橫梁上。

3.3.6碗扣支架搭設(shè)。支架縱向間距0.6m，頂部布置縱橫封口桿，底部布置縱橫掃地桿，每根立桿與封口桿的連接牢固采用扣件。按照構(gòu)造要求，支架中間、四周設(shè)置連續(xù)剪刀撐，剪刀撐的縱橫向距離不得>4跨，角度控制在45°-60°。

4.葵花形拱橋體系的轉(zhuǎn)換

在拱橋現(xiàn)澆支架拆除前，所有結(jié)構(gòu)重量均有支架承擔(dān)，此時(shí)拱結(jié)構(gòu)沒(méi)有水平向的推力，但是隨著拱橋現(xiàn)澆支架的拆除，結(jié)構(gòu)自重逐漸由拱圈承擔(dān)，且內(nèi)力大小會(huì)隨活載的變化而變化，從而產(chǎn)生不平衡水平推力，直接影響成橋質(zhì)量及安全。故需在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中有效控制拱腳水平推力，從而保證體系轉(zhuǎn)換過(guò)程平穩(wěn)安全的完成。

4.1 總體落架方案

如前所述，鳳凰二橋主橋支架采用復(fù)合支架法。其支架落架過(guò)程，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)而言是一個(gè)加載過(guò)程，橋梁自重由支架和結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)過(guò)渡成全部由橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)，結(jié)構(gòu)的受力和變形極為復(fù)雜，而且多跨連續(xù)拱橋的拱與拱之間也存在較為復(fù)雜的作用關(guān)系，不同落架方案對(duì)拱腳水平推力、拱圈內(nèi)力及變形均有較大的影響。不合理的落架方案將會(huì)給結(jié)構(gòu)的安全帶來(lái)較大的安全隱患。

根據(jù)均衡、對(duì)稱(chēng)的原則，初步考慮三種落架方案：方案一：由兩側(cè)往中間的順序落架，即首先邊拱，然后次邊拱，最后中拱；方案二：由中間往兩側(cè)的順序落架，即首先中拱，然后次邊拱，最后中拱；方案三：同步落架。

通過(guò)建模分析發(fā)現(xiàn)，方案一、方案二由于在落架過(guò)程中都會(huì)存在一個(gè)墩子兩側(cè)的兩個(gè)拱圈一個(gè)已經(jīng)落架，另外一個(gè)沒(méi)有落架，拱腳都存在一側(cè)落架另一側(cè)未落的情況，導(dǎo)致墩底產(chǎn)生極大的不平衡水平推力而產(chǎn)生較大的位移。方案三同步落架則可以確保每一個(gè)拱圈同時(shí)對(duì)拱腳墩底產(chǎn)生水平推力，并相互平衡，從而減小墩底水平位移，滿(mǎn)足規(guī)范要求的小于6mm的限值，因此選擇方案三同步落架。

4.2 單孔支架拆除

拱支架為滿(mǎn)堂支架，每孔均有幾千的立桿，為了能夠盡可能的同步，采用循環(huán)落架法。即分區(qū)域多次循環(huán)旋轉(zhuǎn)立桿頂托的螺母逐步、均勻、緩慢地落架，具體落架步驟如下：

第一步：將拱圈從拱頂?shù)焦澳_依次劃分5個(gè)區(qū)域（拱頂、1/4區(qū)域、拱腳）；第二步：將拱頂區(qū)域的立桿頂托螺栓松1/2絲；第三步：將拱圈1/4區(qū)域的立桿頂托螺栓松1/2絲；第四步：將拱腳區(qū)域的立桿頂托螺栓松1/2絲；第五步：依次重復(fù)第二到第三步知道全部立桿與拱圈完全脫離。

經(jīng)仿真計(jì)算可知，隨著卸落過(guò)程的深入，其拱座水平推力、拱座軸力及拱座彎矩等，變化趨勢(shì)都較為平穩(wěn)而合理，可保證落架過(guò)程結(jié)構(gòu)及支架穩(wěn)定。

4.3 體系轉(zhuǎn)換實(shí)施

體系轉(zhuǎn)換由支架落架與系桿張拉過(guò)程組合而成，具體分如下16個(gè)步驟：（1）第一次張拉體外系桿；（2）拆除縱梁支架、邊拱（60-61、65-66）支架；（3）第二次張拉體外系桿；（4）61#-62#、63#-64#、64#-65#跨主拱支架循環(huán)卸落12mm；（5）第三次張拉體外系桿；（6）通航孔（62-63）跨中桁架整體卸落；（7）第四次張拉體外系桿；（8）61#-62#、63#-64#、64#-65#跨拱頂支架循環(huán)落架；（9）第五次張拉體外系桿；（10）全部拱腳支架循環(huán)落架；（11）第六次張拉體外系桿；（12）施工部分防撞墻、人行道基座、人行道板及欄桿；（13）第七次張拉體外系桿；（14）全部腹拱支架同步、對(duì)稱(chēng)、循環(huán)落架；（15）第八次張拉體外系桿；（16）施工橋面鋪裝；終調(diào)全部系桿，封錨。

體系轉(zhuǎn)換全過(guò)程統(tǒng)一指揮，體外系桿張拉、支架拆除、桁架卸落時(shí)務(wù)求同步、緩慢、對(duì)稱(chēng)、均勻，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)左右幅主墩順橋向位移。

5.主腹拱結(jié)合部施工

為確保腹拱拱腳后澆部位施工質(zhì)量，拱腳部位設(shè)置臨時(shí)柔性鉸：主腹拱拱腳連接段預(yù)埋型鋼構(gòu)件，待腹拱支架拆除后，后澆混凝土連接，用臨時(shí)柔性鉸替代原設(shè)計(jì)中的半鉸結(jié)構(gòu)，既達(dá)到施工過(guò)程混凝土振搗密實(shí)目的，又能通過(guò)柔性鉸釋放施工過(guò)程中產(chǎn)生的集中應(yīng)力，避免主腹拱連接部位混凝土開(kāi)裂，見(jiàn)圖1。

6.結(jié)束語(yǔ)

廣州南沙鳳凰二橋是一座多跨連續(xù)葵花形混凝土拱橋，施工中采用復(fù)合支架多孔對(duì)稱(chēng)、雙幅同步施工工藝，解決了多跨連續(xù)葵花形砼拱橋的結(jié)構(gòu)體系和建設(shè)條件復(fù)雜的技術(shù)難題；通過(guò)多孔同步分級(jí)落架、系桿分次張拉，有效控制了體系轉(zhuǎn)換各階段拱腳水平推力；通過(guò)在腹拱根部用臨時(shí)柔性鉸替代砼半鉸，避免了該處混凝土局部開(kāi)裂，方便了砼后澆施工。成橋后拱圈線形良好，外觀質(zhì)量高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，為華南富淤泥質(zhì)地域同類(lèi)型橋梁施工提供了成功范例和有益借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

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