黃劍鋒,周 潔,盧 鵬

(1.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司,北京 100088；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040；3.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050)

隨著我國(guó)鐵路橋梁進(jìn)入21世紀(jì)后的飛速發(fā)展，各類橋式跨越能力也越來越大。其中“剛性梁+柔性拱”這類結(jié)構(gòu)具有很好的跨越能力和豎向剛度，正是由于上述特點(diǎn)，其特別適合鐵路大荷載和大剛度的要求，因此在鐵路上得到了廣泛的應(yīng)用。在這類結(jié)構(gòu)中又以“剛性鋼桁梁+柔性鋼箱拱”的跨度最大，并且隨著時(shí)間的推移還在不斷加大，柔性拱的相對(duì)剛度也在不斷降低，在鋼拱未成形的施工期拱肋穩(wěn)定問題更為突出。因此如何保證施工期拱肋受力的穩(wěn)定性滿足要求，是此類結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵所在，也是選取施工方案時(shí)考慮的重要因素。

本文以南沙港鐵路跨越洪奇瀝水道橋作為研究對(duì)象，研究不同施工方案的優(yōu)劣。

1 工程概況

南沙港鐵路洪奇瀝水道橋位于廣東省中南部。橋梁在下橫瀝水道和洪奇瀝水道交匯處下游0.5 km處跨越洪奇瀝水道，分別連接中山市的小欖鎮(zhèn)和三角鎮(zhèn)。橋位處地質(zhì)由上而下主要為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化花崗片麻巖，其中淤泥質(zhì)黏土層厚度達(dá)到20～30 m以上。橋位處設(shè)計(jì)水流速度v=1.13 m /s,受潮汐影響明顯。本地區(qū)屬季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)明顯，風(fēng)向以偏東風(fēng)或東南風(fēng)為主，區(qū)內(nèi)臺(tái)風(fēng)集中在7—9月份，最大風(fēng)速可達(dá)35.4 km/s。

洪奇瀝水道橋上部結(jié)構(gòu)采用(138+360+360+138)m下承式剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)。2片主桁桁高16 m、主桁間距15 m，寬跨比1/24；拱肋矢高65 m。鋼桁梁采用華倫式，節(jié)間長(zhǎng)度為13.5 m和14 m，全橋共計(jì)72個(gè)節(jié)間[1]，橋式布置如圖1所示。柔性拱采用焊接箱形截面，截面高度在拱腳至拱頂由2.3～1.8 m變化，鋼板厚度40～44 mm,在拱腳與鋼桁梁交叉處設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)角，在跨中設(shè)計(jì)1段2 m長(zhǎng)的合龍段，合龍段采用鋼板現(xiàn)場(chǎng)拼焊。吊桿采用高強(qiáng)度平行鋼絲拉索，吊桿采用梁端張拉，最大張拉力 2 000 kN。鋼桁梁桿件采用高強(qiáng)螺栓連接，柔性鋼箱拱采用焊接。全橋鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約2.8萬t，其中鋼拱質(zhì)量約5 600 t。

圖1 橋式布置(單位:m)

2 施工方案

2.1 鋼桁梁施工方案簡(jiǎn)述

鋼桁梁施工主要采用懸臂拼裝。其中邊跨采用單懸臂由2個(gè)過渡墩(237#,241#)向中跨拼裝,在邊跨設(shè)計(jì)有拼裝支架。中跨采用雙懸臂拼裝，由239#墩向兩側(cè)拼裝,并在239#墩設(shè)置墩旁托架及臨時(shí)桿，用于安裝墩頂4個(gè)節(jié)間鋼桁梁及2臺(tái)架梁吊機(jī)，同時(shí)也可保證鋼桁梁在雙懸臂拼裝未到達(dá)臨時(shí)墩過程中的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性。最后在2個(gè)主跨跨中設(shè)置合龍口。拼裝過程中共計(jì)使用4臺(tái)架梁吊機(jī)。為了保證結(jié)構(gòu)受力安全和合龍口線形，2個(gè)主跨共設(shè)置有4個(gè)臨時(shí)墩，通過過渡墩和臨時(shí)墩上的調(diào)整裝置來調(diào)整鋼桁梁安裝過程及合龍口線形,其布置如圖2所示。

圖2 鋼桁梁施工方案總布置(單位：m)

2.2 鋼拱豎轉(zhuǎn)方案

鋼拱原設(shè)計(jì)采用豎轉(zhuǎn)方案，在拱肋與鋼梁上弦桿交點(diǎn)處設(shè)置轉(zhuǎn)鉸，在拱肋跨中設(shè)置一段2 m長(zhǎng)的合龍段。首先分別在3個(gè)主墩鋼梁頂面安裝高度80 m的扣塔(扣塔采用1臺(tái)230 tm塔吊拼裝)，然后同步在鋼梁頂面設(shè)置拱肋拼裝支架，利用4臺(tái)架梁吊機(jī)拼裝拱肋，最后在每側(cè)豎轉(zhuǎn)拱肋上布置2組扣錨點(diǎn)和背面1組反拉點(diǎn)，通過扣塔頂部的連續(xù)千斤頂同步張拉使拱肋豎轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)位置，并通過對(duì)索力的控制調(diào)整拱肋的線形[2]。最后安裝跨中2 m合龍段，完成1孔拱肋的安裝。完成一孔合龍后，再采用相同的方法完成另一孔拱肋的豎轉(zhuǎn)安裝，待2孔拱肋均合龍完成后拆除豎轉(zhuǎn)拉索體系。

拱肋豎轉(zhuǎn)施工布置如圖3所示。

圖3 拱肋豎轉(zhuǎn)布置(單位：m)

由于鋼箱拱自身穩(wěn)定性較差，因此豎轉(zhuǎn)過程中需要設(shè)置1組背索來保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。拱肋豎轉(zhuǎn)過程中需要有可靠的措施來保證2組拉索和1組背索能夠高精度同步；同時(shí)拱肋豎轉(zhuǎn)到位后，單側(cè)拱肋只有2組錨點(diǎn)，調(diào)整結(jié)構(gòu)線形十分困難，無法實(shí)現(xiàn)拱肋的無應(yīng)力合龍[3-5]。最后由于本方案中需要拼裝3組高度達(dá)80 m扣塔，在廣東沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)其施工難度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.3 鋼拱提升方案

鑒于上面提到的大跨度柔性拱豎轉(zhuǎn)方案存在的施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特征。為了解決拱肋穩(wěn)定性差的問題并滿足結(jié)構(gòu)無應(yīng)力合龍，同時(shí)降低扣塔的施工難度，最終通過方案比選選擇了“三大段+提升”的施工方案[6]。方案具體實(shí)施方法為：在鋼桁梁的上弦設(shè)置拱肋臨時(shí)拼裝支架體系，利用全回轉(zhuǎn)橋面吊機(jī)進(jìn)行柔性拱桿件的臥拼施工。其中單跨鋼拱兩側(cè)前3個(gè)節(jié)段采用原位支架法拼裝，中間部分采用異位臥拼，臥拼從中跨向邊跨的順序進(jìn)行。拼裝過程中同步完成臨時(shí)墩的接高，將其接高至鋼桁梁頂面50 m以上處，用作后期拱肋的提升塔架。提升前需對(duì)拱肋提升點(diǎn)處進(jìn)行加固，同時(shí)為了保證拱肋受力和線形滿足要求，在拱肋上提升點(diǎn)附近設(shè)置1道水平索。中間段拱肋臥拼完成后通過提升塔架進(jìn)行拱肋整體豎向提升，提升到位后通過水平索索力、豎向提升點(diǎn)的標(biāo)高來調(diào)整中間段拱肋的線形，然后分次安裝合龍段，完成拱肋合龍[7-8]。最后進(jìn)行拱肋吊桿的安裝和張拉施工(在完成拱肋提升點(diǎn)附近3根吊桿安裝及張拉后，即可解除提升吊點(diǎn))，完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換[9]。拱肋豎轉(zhuǎn)方案如圖4所示，左側(cè)為中段拱肋已經(jīng)拼裝完成，右側(cè)為中段拱肋已提升到位。

圖4 拱肋豎轉(zhuǎn)方案布置(單位:m)

3 施工方案計(jì)算及比選

3.1 豎轉(zhuǎn)施工方案計(jì)算

拱肋豎轉(zhuǎn)采用先邊跨豎轉(zhuǎn)到位后，再中跨側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行。兩側(cè)均豎轉(zhuǎn)到位后施工合龍段，完成一跨拱肋合龍，然后再進(jìn)行另一跨的拱肋豎轉(zhuǎn)。豎轉(zhuǎn)計(jì)算共計(jì)分為3個(gè)工況。工況1，拱肋豎轉(zhuǎn)過程計(jì)算；工況2，拱肋第1次合龍；工況3，拱肋第2次合龍。

工況1模擬豎轉(zhuǎn)過程中結(jié)構(gòu)受力，分為4個(gè)子工況，采用桿系單元建立鋼梁、扣塔和拱肋的整體計(jì)算模型。

豎轉(zhuǎn)過程中拱肋及扣塔的最大應(yīng)力88 MPa。結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。

根據(jù)模型計(jì)算，2次合龍計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 合龍計(jì)算結(jié)果 kN

第1次合龍時(shí)，邊跨和中跨拱肋合龍口豎向位移分別為-4,-2 mm；水平位移分別為-6 mm,0。拱肋最大應(yīng)力89.1 MPa。第2次拱肋合龍口兩側(cè)豎向位移均為-1 mm，拱肋最大應(yīng)力89.6 MPa。根據(jù)計(jì)算模型可知拱肋合龍前和拱肋合龍后吊桿掛設(shè)前，其整體結(jié)構(gòu)屈曲系數(shù)分別為8.0和7.8，均大于4，滿足要求。

3.2 提升施工方案計(jì)算

根據(jù)拱肋提升施工流程，2孔拱肋施工方法完全一致，單孔提升過程可分成2個(gè)計(jì)算工況：工況1，拱肋提升脫架；工況2，拱肋第2次合龍。

在工況1中主要對(duì)拱肋受力進(jìn)行驗(yàn)算。利用MIDAS/Civil 2017建立拱肋提升狀態(tài)計(jì)算模型，模型中拱肋及其連接系均采用桿系單元，拉索采用索單元，在提升點(diǎn)處進(jìn)行約束。通過調(diào)整索單元的初始拉力來試算結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，使其結(jié)構(gòu)變形滿足要求。

通過計(jì)算模型的驗(yàn)算，得到拱肋提升狀態(tài)下提升點(diǎn)的最大反力 4 825 kN，單側(cè)水平索拉力 5 760 kN，結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力113.2 MPa，結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性系數(shù)7.0，大于4.0，均滿足要求。拱肋提升到位后，通過兩側(cè)提升吊點(diǎn)高度來調(diào)整拱肋第1合龍口處轉(zhuǎn)角，并實(shí)施第1次合龍，此時(shí)拱肋受力狀態(tài)未發(fā)生變化。

工況2也用MIDAS/Civil 2017建立拱肋計(jì)算模型，此工況主要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的受力和合龍口的線形。其中合龍口的線形主要通過提升吊點(diǎn)的位移、合龍口處施加的豎向水平力以及水平索索力調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。通過試算不同的水平索的拉力及合龍口處豎向反力，最終得到一組控制力來滿足線形要求。結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出，拱肋合龍線形控制精度較高，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小。

表2 拱肋第2次合龍參數(shù)

3.3 方案對(duì)比

將豎轉(zhuǎn)方案和提升方案進(jìn)行全面對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3，最終確定提升方案為本項(xiàng)目實(shí)施方案[10]。

表3 柔性拱施工方案對(duì)比

4 結(jié)語

南沙港鐵路洪奇瀝水道橋在大跨度鐵路橋梁中具有結(jié)構(gòu)輕巧、承載力大的特點(diǎn)，但施工過程結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)高，線形控制難度大。在本項(xiàng)目施工方案研究中根據(jù)拱肋施工過程中受力特點(diǎn)對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行全面的驗(yàn)算，并結(jié)合鋼梁架設(shè)方案，充分利用鋼桁梁施工所建臨時(shí)結(jié)構(gòu)，最終得到一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便的方案，可為今后類似橋梁結(jié)構(gòu)提供借鑒。