董宇路

（上海城投航道建設(shè)有限公司，上海市 200092）

1 工程概況與問(wèn)題的提出

南葉公路橋是上海市大蘆線航道整治二期工程跨航道橋梁工程中的一座橋梁。主橋采用一跨跨越航道，主橋跨徑為127 m。上部結(jié)構(gòu)為下承式系桿拱橋，橫向采用兩片拱肋，拱軸線為二次拋物線型，計(jì)算跨徑為124 m，計(jì)算矢高24.8 m，計(jì)算矢跨比1∶5。主橋橋?qū)?4 m，車行道與非機(jī)動(dòng)車道位于兩片拱肋內(nèi)側(cè)，人行道與機(jī)動(dòng)車道分離，懸挑在拱肋外側(cè)。主橋的立面見(jiàn)圖1，斷面見(jiàn)圖2。

圖1 主橋立面圖（單位:mm）

圖2 主橋斷面圖（單位:mm）

縱橋向主橋兩端通過(guò)豎向支承支座（每端各設(shè)兩個(gè)支座）作用在橋墩上，為外部簡(jiǎn)支體系。上部結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土拱肋、縱梁、中橫梁、端橫梁、柔性吊桿及后澆縱梁、后澆橋面系組成。拱肋采用鋼管拱，鋼管形狀為圓端形，采用Q345D鋼材；拱肋成形后，鋼管內(nèi)灌注微膨脹C50混凝土。拱肋間設(shè)置風(fēng)撐，確保拱肋空間穩(wěn)定。拱肋內(nèi)設(shè)吊桿張拉端錨具。吊桿均為平行吊桿，間距5 m，全橋共設(shè)22對(duì)（共44根），所有吊桿均位于拱肋平面內(nèi)；吊桿鋼束采用環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索?？v梁與橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力體系采用Φs15.2高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，波紋管采用塑料波紋管。橋面系設(shè)2%橫坡，橋面板為等厚度250 mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主橋每個(gè)主墩基礎(chǔ)采用27根直徑為1.2 m的混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)63 m。

為了減輕施工期間對(duì)航道的影響，主橋施工采用先拱后梁的施工方法，即：在河道中搭設(shè)兩個(gè)臨時(shí)支墩作為架設(shè)拱肋節(jié)段的支架，拱肋分三段吊裝，拱肋與風(fēng)撐安裝完畢后按計(jì)算控制值張拉臨時(shí)水平拉索，然后分兩次灌注拱肋內(nèi)混凝土并按相應(yīng)的計(jì)算控制值分兩次張拉臨時(shí)拉索，確保水平止推裝置在拱肋支架拆除前不受力，僅起水平向限位的作用；隨著橋面混凝土橫梁的吊裝，通過(guò)按計(jì)算控制值張拉臨時(shí)拉索來(lái)控制止推裝置的受力，在系梁整體形成且張拉預(yù)應(yīng)力之前，拱肋的水平力由臨時(shí)拉索與止推裝置共同承受；當(dāng)所有橫梁吊裝完畢、系梁澆筑整體形成剛度后，分批張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，系梁的預(yù)應(yīng)力分次“替換”臨時(shí)拉索與止推裝置中的水平力，并分批拆除臨時(shí)拉索，當(dāng)然，在系梁預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，也要有效控制系梁混凝土的壓應(yīng)力水平；所以，在主橋施工過(guò)程中，主要存在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題-臨時(shí)水平拉索與水平止推裝置的共同受力與系梁預(yù)應(yīng)力的張拉控制，必須經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析并得到充分的解決，才能確保施工的順利進(jìn)行。

上海城投航道建設(shè)有限公司是本橋的建設(shè)管理單位，對(duì)整個(gè)橋梁的施工進(jìn)行了全面的技術(shù)管理，參與討論與分析并解決了主橋施工過(guò)程中存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，特別是以上提出的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。以下對(duì)此進(jìn)行總結(jié)。

2 主橋結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型

對(duì)以上兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析離不開(kāi)對(duì)主橋施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析，這里先來(lái)介紹一下主橋結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型。

主橋結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)分析軟件Midas建立，模型中采用的單元有三維梁?jiǎn)卧?、桿單元與板單元；其中，橋面板采用板單元模擬，吊桿采用桿單元模擬，其余結(jié)構(gòu)均采用三維梁?jiǎn)卧M。由于施工過(guò)程中拱腳處水平止推裝置承受水平力，而水平力通過(guò)立柱傳遞到基礎(chǔ)，所以計(jì)算模型必須考慮樁-土剛度，樁-土剛度采用土彈簧模擬，彈簧剛度根據(jù)m法利用規(guī)范[1]中的計(jì)算公式計(jì)算得到。此外，樁與承臺(tái)間連接采用剛性連接進(jìn)行模擬，支座采用彈性連接進(jìn)行模擬，止推裝置采用單向彈簧支座進(jìn)行模擬。

主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖3。整個(gè)計(jì)算模型中共有：梁?jiǎn)卧? 868個(gè)，板單元3 572個(gè)，桿單元52個(gè)，包括48個(gè)吊桿單元及8個(gè)臨時(shí)系桿單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)合計(jì)5 730個(gè)。

圖3 主橋計(jì)算模型的幾何圖

此外，需要說(shuō)明的是，利用Midas建立的主橋結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型，根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)圖紙?jiān)敿?xì)劃分了各個(gè)施工過(guò)程，在這里不再一一介紹。

3 臨時(shí)水平拉索與止推裝置水平力的控制

如上所述，主橋施工采用先拱后梁的施工方法，在系梁整體形成且張拉預(yù)應(yīng)力之前，拱肋的水平力由臨時(shí)拉索與止推裝置共同承受。根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)的施工順序以及施工監(jiān)控方案，臨時(shí)拉索分6次張拉，見(jiàn)表1。

表1 臨時(shí)拉索分次張拉的施工順序

全橋共有22片橫梁，表1中橫梁的編號(hào)從拱腳處到跨中依次為HL1～HL11，每個(gè)橫梁編號(hào)代表了以拱肋中心線為對(duì)稱的兩片橫梁，施工時(shí)南、北兩側(cè)的橫梁必須對(duì)稱吊裝。

利用主橋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型，并經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，得到每個(gè)階段每根臨時(shí)拉索的張拉力以及對(duì)應(yīng)階段的單片拱肋水平力與單對(duì)止推裝置所承受的計(jì)算水平力，見(jiàn)表2。全橋共有8根水平臨時(shí)拉索，安裝于兩側(cè)端橫梁與拱腳處各4根；并且安裝了兩對(duì)水平止推裝置，每片拱肋各一對(duì)。

從表2的數(shù)值可知，在臨時(shí)拉索第3次張拉完成后，拱肋止推裝置還沒(méi)有受力。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，選取幾個(gè)代表施工階段對(duì)拱肋水平

表2 臨時(shí)拉索各個(gè)張拉階段的結(jié)構(gòu)水平力計(jì)算值

力、臨時(shí)拉索拉力與止推裝置水平力進(jìn)行了計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 各代表施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算值

由表3的數(shù)據(jù)可以得到，止推裝置在拱肋支架拆除后開(kāi)始承受水平力，初始水平力為118 kN，當(dāng)系梁澆筑完成且未張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，止推裝置承受的水平力為最大，達(dá)4 009 kN，小于設(shè)計(jì)允許值5 000 kN-綜合考慮了立柱、樁基與止推裝置本身的允許承載能力；此時(shí)，單片拱肋的水平力為21 287 kN，而單根臨時(shí)拉索的拉力為4 319 kN，相比張拉控制值4 300 kN增加很少。

以上計(jì)算得到的臨時(shí)拉索與止推裝置水平力控制值是在理想的施工條件下得到的，沒(méi)有考慮環(huán)境溫度變化等因素的影響。根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際施工情況，拱肋在5月份合龍，而系梁的澆筑將在炎熱8月～9月份完成，所以結(jié)構(gòu)的受力將受到環(huán)境溫度變化的影響。經(jīng)分析，主橋結(jié)構(gòu)受整體升溫作用時(shí)，止推裝置限制主橋結(jié)構(gòu)的水平向變形，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的推力，這個(gè)附加力會(huì)影響施工過(guò)程止推裝置受力的安全性；在計(jì)算附加力的時(shí)候，考慮了地基土m值的兩種取值情況，第1種情況：21 m以上為淤泥層，取m=3,000 kN/m4，21 m以下取m=5,000 kN/m4；第2種情況：m值統(tǒng)一取為5,000 kN/m4。在考慮結(jié)構(gòu)整體升溫溫度取值的時(shí)候，綜合考慮了拱肋合龍溫度與系梁合龍溫度的差值以及系梁合龍段施工日可能的最高溫與最低溫的相對(duì)差值，取為15度對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)應(yīng)該是相對(duì)安全的。結(jié)構(gòu)整體升溫15度對(duì)臨時(shí)拉索以及止推裝置水平力的影響見(jiàn)表4。

表4 整體升溫15度對(duì)結(jié)構(gòu)要素受力的影響

根據(jù)表4的計(jì)算數(shù)據(jù)，可以得到以下分析結(jié)果及施工建議：

（1）地基上層土m值取3 000～5 000 kN/m4對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小。

（2）在主橋系梁剛度未形成之前，結(jié)構(gòu)整體升溫引起拱腳止推裝置的附加水平推力相對(duì)較小，為500 kN左右；在系梁剛度形成之后，結(jié)構(gòu)整體升溫引起拱腳止推裝置的附加水平推力相對(duì)較大，為2 000 kN左右。

（3）如果考慮15℃的整體升溫，在系梁澆筑完成、系梁預(yù)應(yīng)力張拉之前，拱腳止推裝置的計(jì)算水平力可能達(dá)6 000 kN左右，超過(guò)設(shè)計(jì)的允許水平力；但是，考慮到整體升溫會(huì)使臨時(shí)拉索受壓，也即拉索的拉力會(huì)有所降低；根據(jù)當(dāng)時(shí)臨時(shí)拉索的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，拉索的現(xiàn)存拉力小于張拉目標(biāo)值，所以建議施工單位在系梁濕接頭混凝土澆筑前，對(duì)臨時(shí)拉索進(jìn)行補(bǔ)張拉或適當(dāng)超張拉，以減小止推裝置所承受的水平力，確保施工的安全。

（4）在系梁混凝土澆筑時(shí)，要合理確定其合龍溫度，盡量降低結(jié)構(gòu)的體系升溫效應(yīng)，減小拱腳止推裝置由結(jié)構(gòu)整體升溫引起的附加水平力；并且在施工時(shí)要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)主墩與水平止推裝置的受力。

4 系梁預(yù)應(yīng)力張拉的控制與優(yōu)化

在系梁沒(méi)有張拉預(yù)應(yīng)力之前，拱肋拱腳的水平力由臨時(shí)水平拉索以及拱腳處水平止推裝置共同承受，控制好臨時(shí)拉索以及止推裝置的受力是主橋施工能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵一步，隨著系梁澆筑完成且形成剛度后，以“等量替換水平力及確保系梁受壓”的原則來(lái)控制系梁預(yù)應(yīng)力的張拉。

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)系梁全部澆筑完成后，單片拱肋總的水平力為21 287 kN，并依據(jù)施工圖設(shè)計(jì)的施工順序以及施工監(jiān)控方案，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析，建議臨時(shí)水平拉索拆除時(shí)機(jī)如下：

（1）第 1階段：張拉完腹板鋼束 N3、N4、N5后拆除端橫梁處四根臨時(shí)水平拉索；

（2）第2階段：張拉完腹板N6鋼束和2束N1鋼束后，視具體情況，若水平止推裝置已經(jīng)與主墩分離，則拆除拱腳處四根臨時(shí)水平拉索，若還未分離，則繼續(xù)對(duì)稱張拉兩束N1底板束，再拆除拱腳處四根臨時(shí)水平拉索。

系梁鋼束布置截面見(jiàn)圖4，圖4中編號(hào)N1-1表示：N1是鋼束編號(hào)，鋼束編號(hào)后-1表示張拉順序，其它鋼束同此。

圖4 系梁鋼束布置截面圖

根據(jù)臨時(shí)水平拉索拆除時(shí)機(jī)，各個(gè)階段系梁預(yù)應(yīng)力總張拉力與未“替換”水平力見(jiàn)表5。由表5的數(shù)據(jù)可得，第1階段系梁預(yù)應(yīng)力的張拉，有效“替換”了絕大部分由臨時(shí)拉索與止推裝置承受的水平力，拆除端橫梁處四根水平臨時(shí)拉索是安全的；第2階段預(yù)應(yīng)力張拉完成后，系梁預(yù)應(yīng)力總張拉力大于由臨時(shí)拉索與止推裝置承受的水平力，理論上止推裝置與主墩已分離，可以拆除拱腳處的4根臨時(shí)水平拉索，所有水平力被有效“替換”。

表5 各個(gè)階段預(yù)應(yīng)力總張拉力與未替換的水平力

為分析系梁澆筑完成后、預(yù)應(yīng)力張拉與臨時(shí)水平拉索拆除等施工過(guò)程對(duì)系梁應(yīng)力的影響，人為地把系梁澆筑完成后至主橋成橋按施工順序劃分了多個(gè)施工階段。特別需要說(shuō)明的是，根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)的施工順序，橋面板施工之前應(yīng)張拉完所有的系梁預(yù)應(yīng)力；根據(jù)分析結(jié)果，在所有預(yù)應(yīng)力張拉完后，在近拱腳的系梁濕接頭處上緣出現(xiàn)19.0 MPa左右的壓應(yīng)力，雖然這個(gè)壓應(yīng)力能夠滿足規(guī)范[2]規(guī)定的施工過(guò)程短暫應(yīng)力的要求，但是，由于沒(méi)有考慮溫度效應(yīng)、剪力滯效應(yīng)以及其它一些因素的影響，實(shí)際的壓應(yīng)力可能要大于這個(gè)值；根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，施工階段C50系梁混凝土的壓應(yīng)力一般控制在18 MPa以內(nèi)。所以，在實(shí)際的施工中對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序進(jìn)行了優(yōu)化，把頂板鋼束N7的最后兩束在橋面板施工完成后再?gòu)埨?，這樣可以有效控制混凝土的壓應(yīng)力。各個(gè)施工階段系梁混凝土的最大壓應(yīng)力見(jiàn)表6。

表6 各個(gè)施工階段系梁混凝土的最大壓應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果及表6的應(yīng)力數(shù)據(jù)可以得到，系梁在預(yù)應(yīng)力張拉、臨時(shí)水平拉索拆除至最終的成橋過(guò)程中處于全截面受壓狀態(tài)，且最大壓應(yīng)力控制在比較合理的限值內(nèi)，這也進(jìn)一步說(shuō)明，系梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序的局部?jī)?yōu)化還是非常必要且十分有效。

5 結(jié)語(yǔ)

南葉公路橋主橋一跨過(guò)河，采用跨徑127m的鋼管混凝土系桿拱橋，為減輕施工期間對(duì)航道的影響，采用先拱后橋的施工方法；主橋施工過(guò)程工序較多且比較復(fù)雜，施工過(guò)程需要解決的技術(shù)問(wèn)題較多，經(jīng)仔細(xì)分析，臨時(shí)水平拉索與水平止推裝置的共同受力與系梁預(yù)應(yīng)力的張拉控制是主橋施工過(guò)程的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

由于本橋的建設(shè)過(guò)程中及時(shí)關(guān)注并順利解決了以上關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，使整個(gè)建設(shè)過(guò)程推進(jìn)比較順利。目前，南葉公路主橋結(jié)構(gòu)的施工已經(jīng)順利完成，本橋成功實(shí)施的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)路線可為同類型橋梁的建設(shè)提供有價(jià)值的參考。