束學(xué)智

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

西芹大橋位于福建省南平西站東側(cè)，北接205國道，南接行健路，是南三龍鐵路南平西站重要的進(jìn)出通道和配套項(xiàng)目，是西站片區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是西芹鎮(zhèn)到中心城區(qū)的快速通道。

本工程為南平西站配套市政工程，南平西站位于南平市延平區(qū)西芹鎮(zhèn)，西芹大橋位于南平西站東側(cè)，橋位距上游沙溪口水電站約2.8 km，距上游沙溪口電站大橋約2.1 km，距下游長深高速西芹特大橋約2.1 km，距下游西城大橋約3.5 km。

1.2 橋梁概況

工程范圍內(nèi)路線全長1 334.57 m，其中橋梁長402.5 m，全橋孔跨采用：1×43 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁＋1×233.2 m下承式鋼箱拱橋＋3×36 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)＋14.5 m鋼筋混凝土門式剛構(gòu)（圖1）。

主橋橋型為下承式簡支鋼箱拱，主橋跨徑為230 m，主橋全長233.2 m。拱肋采用鋼結(jié)構(gòu)等高度箱形截面，高3 m，寬2.2 m，左右設(shè)2片拱肋，矢高38 m，矢跨比1/6.05，拱軸線線形為二次拋物線。拱肋為提籃拱形式，拱肋向內(nèi)傾18°。主橋橋墩采用門式框架結(jié)構(gòu)橋墩，墩柱及墩頂橫梁均設(shè)計(jì)為箱型空心截面。

圖1 主橋橋型布置（單位：m）

北岸1×43 m預(yù)應(yīng)力簡支箱梁采用單箱四室斜腹板截面，箱梁頂寬28.90 m，箱底寬20.39 m，梁高2.40 m。南岸3×36 m預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)采用單箱四室斜腹板截面，箱梁頂寬28.90 m，箱底寬20.71 m，梁高2.00 m。

1.3 地質(zhì)水文情況

擬建西芹大橋北橋頭與205國道T形平交，由北往南跨越西溪后，南橋頭與規(guī)劃行健路T形平交。大橋北岸為龍踞山，現(xiàn)狀土地為農(nóng)林用地，山腳現(xiàn)狀道路只有205國道，橋址處205國道現(xiàn)狀道路橫斷面寬約12 m。大橋南岸為西芹鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心，現(xiàn)狀土地為城鎮(zhèn)住宅用地。

橋位在西溪北岸頂為龍踞山，植被發(fā)育，山體穩(wěn)定。岸線為自然裸坡，植被較發(fā)育，基本未做防護(hù)，岸線穩(wěn)定性較差，坡頂為205國道。

橋位的西溪南岸為西芹鎮(zhèn)，橋址段岸坡已做干砌塊石分級(jí)防護(hù)處理，但局部塊石有松動(dòng)現(xiàn)象，未見明顯破壞、坍塌現(xiàn)象，岸坡坡度為20°～30°，勘察期間處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。岸頂為西芹鎮(zhèn)居民區(qū)。

西溪河面較寬，河道順直，水流較緩，水位受大氣降水、上游沙溪口水庫及下游水口水庫影響。河流雨季時(shí)常暴雨成災(zāi)，西溪位于富屯溪、沙溪匯合口下游，入境洪水是主要成災(zāi)洪水。閩北河道坡降大，匯流時(shí)間短，從源頭到南平匯流時(shí)間不足24 h；洪水暴漲暴落，破壞性強(qiáng)，具有典型的山區(qū)性河流特征。

2 施工方案比選

根據(jù)西芹大橋橋型，共有整體頂推施工[1]、懸臂拼裝[2]、先頂推橋面系后頂升拱肋施工等3種方案。

2.1 整體頂推方案技術(shù)分析

西芹大橋主橋?yàn)槿摻Y(jié)構(gòu)，具備整體頂推的優(yōu)勢。但是西芹大橋1#主墩距離205國道為63.5 m，不具備整體拼裝場地；西芹大橋2#主墩距離6#橋臺(tái)123.7 m，且南側(cè)建筑拆遷受限、運(yùn)輸條件不足，也不具備整體拼裝場地。故現(xiàn)場不具備采用整體拼裝、整體頂推施工方案的條件。

2.2 懸臂拼裝方案技術(shù)分析

鋼箱拱橋采用懸臂拼裝施工方案為常用施工工藝，通常有先拱后梁和先梁后拱2種做法。本項(xiàng)目因北側(cè)山坡設(shè)置錨點(diǎn)困難，且影響205國道的交通通行，南側(cè)西芹鎮(zhèn)涉及建筑拆遷等因素影響，同時(shí)河道內(nèi)水位較低，無法采用船舶將橋梁鋼箱梁節(jié)段運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，因此不具備懸臂拼裝的施工條件（圖2）。

圖2 懸臂拼裝施工工藝示意

2.3 先頂推橋面再頂升拱肋方案技術(shù)分析

因施工條件的限制，本工程可先將橋面系采用成熟的頂推施工技術(shù)，然后在形成的橋面上進(jìn)行拱肋的分段安裝，利用頂升施工技術(shù)，將各段拱肋進(jìn)行頂升施工，并進(jìn)行空中焊接成拱。這樣施工的優(yōu)勢有：橋面可以形成制造平臺(tái)；可以小節(jié)段運(yùn)輸，現(xiàn)場組裝大節(jié)段；避免了持久高空作業(yè)；減少對(duì)外部約束的影響，創(chuàng)造了施工條件。因此，采用先頂推橋面，再頂升拱肋成拱的施工方案是本項(xiàng)目的推薦方案（圖3）。

3 橋面頂推施工方案

3.1 節(jié)段頂推總體施工綜述

圖3 橋面頂推拱肋頂升施工工藝示意

拼裝平臺(tái)設(shè)在北岸0#臺(tái)至1#墩之間，縱梁節(jié)段在工廠進(jìn)行加工制作后運(yùn)輸至現(xiàn)場，由205國道進(jìn)入頂推拼裝平臺(tái)，現(xiàn)場利用150 t履帶吊吊裝至指定位置，現(xiàn)場對(duì)鋼主梁進(jìn)行拼裝焊接施工，鋼主梁前置鋼導(dǎo)梁從205國道由北至南向南平西站方向進(jìn)行步履交替頂推施工，考慮現(xiàn)狀通航孔的要求及頂推工藝的受力要求，擬布置拼裝平臺(tái)長58 m，頂推臨時(shí)支墩跨徑布置為：32.5 m＋33.0 m×5＋32.5 m，導(dǎo)梁設(shè)置為41 m。

縱梁頂推完成后，對(duì)梁體平面位置、高程進(jìn)行精確復(fù)測，利用頂推設(shè)備對(duì)其空間位置進(jìn)行調(diào)整，滿足設(shè)計(jì)要求后，在主墩支座位置安裝支座，并調(diào)整支座高度，最后進(jìn)行落梁。

3.2 拼裝平臺(tái)及中間臨時(shí)支墩

3.2.1 拼裝平臺(tái)設(shè)置

鋼主梁拼裝平臺(tái)布置在205國道～1#橋墩之間，拼裝平臺(tái)長58 m（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段6 m，可同時(shí)進(jìn)行6個(gè)節(jié)段的拼裝施工），0#臺(tái)與1#墩之間采用鋼管支架搭設(shè)，0#橋臺(tái)與205國道之間根據(jù)平臺(tái)標(biāo)高對(duì)臺(tái)背后進(jìn)行回填壓實(shí)并澆筑厚20 cm的C30混凝土臨時(shí)基礎(chǔ)，作拼裝平臺(tái)使用。

各鋼管支撐頂部型鋼上部安裝321型標(biāo)準(zhǔn)貝雷片，東西兩側(cè)為縱梁安裝位置，且頂推施工時(shí)，梁端自重荷載作用于該支墩縱橋向中心線位置，受力較大，跨中位置區(qū)域?yàn)?50 t履帶吊作業(yè)范圍，貝雷片必須滿足結(jié)構(gòu)自重荷載及車輛行駛荷載（圖4、圖5）。

3.2.2 臨時(shí)支墩設(shè)置

考慮臨時(shí)支墩后期作拱肋頂升施工的需要，以及支墩豎桿往橋面接長需避開橋面縱梁橫隔板位置，并根據(jù)專家組意見考慮一個(gè)臨時(shí)支墩失效的極端工況下橋梁的整體安全性，將配跨設(shè)置為32.5 m＋33.0 m×5＋32.5 m，橫橋向間距設(shè)置為32.4 m，雙拼布置，全橋共設(shè)置12個(gè)臨時(shí)支墩（圖6）。

圖4 拼裝平臺(tái)的鋼管支撐布置立面

圖5 頂推拼裝平臺(tái)受力分析

圖6 主跨臨時(shí)支墩布置示意（單位：m）

各臨時(shí)支墩設(shè)置在西溪河道裸巖上[3]，標(biāo)高擬合縱梁R=4 000 m曲線，P2#～P7#支墩頂推設(shè)備安裝平臺(tái)標(biāo)高分別為84.644、85.189、85.461、85.461、85.189、84.644 m，平臺(tái)與梁底標(biāo)高預(yù)留1.5 m高度，作為設(shè)備安裝及高度調(diào)節(jié)空間。

臨時(shí)支墩的設(shè)置經(jīng)過Midas程序計(jì)算，考慮了施工時(shí)順橋向偶然水平力，橫橋向偶然水平力，百年一遇風(fēng)載，豎向荷載20 cm偏心受力和百年一遇水流壓力的影響，同時(shí)考慮某一臨時(shí)支墩突然失效情況下的上部梁體安全（圖7）。

3.3 頂推施工

圖7 臨時(shí)支墩受力分析

本工程采用往復(fù)式交替頂推設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)橋面系的連續(xù)頂推[4]。整個(gè)頂推設(shè)備自成一體，在計(jì)算機(jī)控制下，可以實(shí)現(xiàn)頂升、順橋方向移動(dòng)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)橫橋方向的調(diào)整，在頂推過程中對(duì)鋼梁隨時(shí)進(jìn)行糾偏；整套設(shè)備按照機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，調(diào)節(jié)精度高，能更好地滿足鋼梁對(duì)載荷和變形的控制要求；全液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，整機(jī)體積小、質(zhì)量輕，控制比較平穩(wěn)，液壓保護(hù)齊全，安全性比較高；頂推設(shè)備的上、下結(jié)構(gòu)通過油缸實(shí)現(xiàn)順橋方向的移動(dòng)，該推力為設(shè)備自身的內(nèi)力，克服了由于其他方法頂推時(shí)對(duì)橋墩產(chǎn)生的水平推力；通過液壓系統(tǒng)的控制，可以自動(dòng)調(diào)整和平衡各墩頂?shù)呢Q向支撐力，使頂推更安全可靠。

一套頂推設(shè)備包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)（電氣、控制、傳感器）[5]。通過組合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)鋼梁在順橋向、豎向、橫橋向分別進(jìn)行移動(dòng)、頂升或調(diào)整，從而保證鋼梁頂推施工完成后的全橋線形（圖8）。

3.3.1 交替頂推步序

1）設(shè)備置于原位（頂推油缸復(fù)位，交替油缸復(fù)位，頂升油缸升至需要的高度）。

2）中間的交替油缸頂起，橋梁由中間部分受力。

3）設(shè)備頂推，帶動(dòng)橋梁一起頂推。

4）中間部分頂推到位后，兩側(cè)的交替頂升油缸升起，中間部分的交替油缸下落。

5）兩側(cè)油缸頂推，中間油缸回縮，帶動(dòng)橋梁繼續(xù)進(jìn)行頂推作業(yè)。

6）兩側(cè)頂推裝置頂推到位后，中間交替油缸升起，兩側(cè)交替油缸下落。受力體系由兩側(cè)支撐轉(zhuǎn)移至中間交替油缸。

7）中間交替頂升油缸向前進(jìn)行頂推作業(yè)，兩側(cè)交替頂升油缸回拉。

3.3.2 頂推糾偏措施

針對(duì)鋼梁橫向偏位引起的諸多問題，可采用一側(cè)頂推裝置不勻速頂推的方式進(jìn)行糾偏，或利用步履頂推設(shè)備橫向糾偏千斤頂進(jìn)行橫移調(diào)整技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)鋼梁頂推施工中的橫向偏位調(diào)整。

4 拱肋頂升施工方案

4.1 拱肋頂升施工流程

主橋拱肋頂升分5個(gè)部位進(jìn)行施工，跨中3段拱肋（G14—G4、G4—G4'、G4'—G14'），先在橋面相應(yīng)部位將頂升分配梁安裝至拱肋底部，然后搭設(shè)拱肋拼裝平臺(tái)，將各節(jié)段拱肋進(jìn)行吊裝焊接。頂升P2～P4、P5～P7支墩位置，使第3段拱肋水平同步頂升，第2、4段拱肋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)比例頂升，頂升高度為16.576 m，使第2、3、4墩拱軸線形成整體，焊接中間嵌補(bǔ)段。再將第2、3、4段拱肋形成的整體拱進(jìn)行同步頂升，頂升高度為12.721 m，頂升完成后，整體拱軸線與設(shè)計(jì)拱軸線擬合。最后在兩側(cè)拱腳位置搭設(shè)G15—G18拱肋滿堂拼裝平臺(tái)，各節(jié)段運(yùn)輸至現(xiàn)場后利用吊車將拱肋逐步與頂升完成的拱肋焊接，形成整體（圖9）。

圖9 拱肋頂升施工流程

4.2 拱肋頂升受力分析

4.2.1 拱肋受力分析

頂推主梁結(jié)束后，需要在已有的頂推臨時(shí)墩、頂升臨時(shí)墩及支架上，對(duì)拱肋進(jìn)行頂升。頂升段拱肋順橋向長度為157 m，中間設(shè)置4個(gè)頂升鋼支撐。拱肋順橋向頂升鋼支撐間距布置為30 m＋30 m＋34 m＋30 m＋30 m。利用Midas/Civil 8.2.1進(jìn)行分析計(jì)算，建立拱肋模型。模型共含節(jié)點(diǎn)78個(gè)，梁單元73個(gè)（圖10）。

圖10 拱肋頂升受力分析模型

4.2.2 頂升支架受力分析

本工程施工方案利用臨時(shí)支墩為基礎(chǔ)，在支墩上架設(shè)頂升支架，頂升支架與橋面不固結(jié)。根據(jù)臨時(shí)支墩布置情況，拱肋共有12個(gè)頂升支架，中頂升支架距離橋面最大高度為28 m，計(jì)算按照30 m考慮（圖11、圖12）。

圖11 P4P5臨時(shí)支墩受力分析

圖12 P2P3、P6P7臨時(shí)支墩 受力分析

頂升過程中，臨時(shí)支墩不僅承受豎向力，同時(shí)也將承受水平力及豎向力偏載。

需要考慮的荷載主要如下：順橋向施工偶然水平力，取豎向力的2%計(jì)入；橫橋向施工偶然水平力，取豎向力的2%計(jì)入；考慮南平地區(qū)百年一遇風(fēng)荷載作用，基本風(fēng)速按照27.3 m/s設(shè)計(jì)；施工中溫差引起的順橋向變形，設(shè)計(jì)考慮10 K的溫差變化，取0.023 m；施工誤差引起的順橋向位移差，按2 cm考慮；考慮百年一遇洪水位81.6 m下的流水壓力，取3.7 kN/m2。

4.2.3 頂升施工

中間段拱肋自重按1 600 t進(jìn)行計(jì)算，共設(shè)置12個(gè)頂升點(diǎn)，每個(gè)頂升點(diǎn)頂升質(zhì)量為133.3 t，為了保證頂升施工具備足夠的安全儲(chǔ)備，每個(gè)頂升點(diǎn)安裝2臺(tái)200 t千斤頂，全橋共48臺(tái)，總頂升力可達(dá)9 600 t，安全系數(shù)6.0。橋梁每個(gè)橫斷面為一個(gè)PLC控制點(diǎn)，配備一臺(tái)PLC泵站進(jìn)行頂升，頂升時(shí)全橋共6臺(tái)PLC泵站進(jìn)行連接，對(duì)全橋進(jìn)行同步控制，控制精度為2 mm[6]。

控制點(diǎn)的劃分原則為頂升過程安全可靠，特別注重同步性和橋體的姿態(tài)控制。

本次頂升采用交替式頂升[7-8]，交替式頂升在頂升過程中，梁體處于2組千斤頂交替支撐的狀態(tài)，2組千斤頂交替支撐時(shí)，梁體位移均處于可控狀態(tài)，在每一組支撐狀態(tài)下，支撐體系的壓縮量幾乎不產(chǎn)生變化，因而梁體內(nèi)力也幾乎不產(chǎn)生變化。

在這種作業(yè)方式下，梁體位移自頂升開始到頂升結(jié)束均連續(xù)處于受控狀態(tài)。每個(gè)千斤頂壓力也均為連續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，因此可以保證梁體在頂升過程中不被損壞，包括梁體在內(nèi)的整個(gè)支撐體系也處于監(jiān)控狀態(tài)中。因此整個(gè)橋梁頂升系統(tǒng)也處于安全可控狀態(tài)中。

5 結(jié)語

該項(xiàng)目因設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，最終未進(jìn)行實(shí)施，但相關(guān)技術(shù)已經(jīng)深入討論，并通過專家論證。

鋼拱橋的橋面交替頂推及拱肋交替頂升拼裝施工工藝?yán)媚壳拜^為成熟的頂推技術(shù)及頂升技術(shù)，具備技術(shù)先進(jìn)性、設(shè)備可靠性的特點(diǎn)，可為類似工程項(xiàng)目提供新的思路。