吳水根 陳 琪 呂兆華

1. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 20092；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 20092

鋼拱橋作為一種常用的橋梁結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各地。隨著鋼拱橋的跨度、高度不斷增大，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，其施工難度也越來越大，常規(guī)的高空原位拼裝、纜索吊裝等施工方法已經(jīng)逐漸無法滿足現(xiàn)代鋼拱橋的施工要求，因此產(chǎn)生了很多新的施工方法。鋼拱橋整體豎向轉(zhuǎn)體施工是一種極具代表性的體系轉(zhuǎn)換施工方法，可以減少高空作業(yè)工作量、大型機(jī)械設(shè)備的使用和施工措施費(fèi)用，并可加快施工速度，是一種集經(jīng)濟(jì)性、安全性和時(shí)效性于一體的施工方法。

鋼拱橋施工的通常做法是在低位進(jìn)行拼裝，再利用施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)拱肋進(jìn)行豎向轉(zhuǎn)體，使拱肋達(dá)到設(shè)計(jì)位置。而豎向轉(zhuǎn)體施工按照轉(zhuǎn)體輔助結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為塔架豎提轉(zhuǎn)體和三腳架起扳轉(zhuǎn)體。塔架豎提轉(zhuǎn)體，輔助結(jié)構(gòu)主要為塔架，需搭設(shè)一定高度的塔架，利用塔架將轉(zhuǎn)體部位豎向轉(zhuǎn)體到位；三腳架起扳轉(zhuǎn)體，輔助結(jié)構(gòu)主要是在拱肋上安裝臨時(shí)三腳架，利用三腳架和后錨點(diǎn)將轉(zhuǎn)體部位轉(zhuǎn)體到位。根據(jù)轉(zhuǎn)體次數(shù)可以再進(jìn)一步分為一次轉(zhuǎn)體和多次轉(zhuǎn)體[1-5]。

本文依托某空間異形鋼拱橋，在設(shè)計(jì)階段提出科學(xué)合理的豎向轉(zhuǎn)體施工方案，并對(duì)其豎向轉(zhuǎn)體施工過程進(jìn)行分析模擬，驗(yàn)證該轉(zhuǎn)體施工方案的可行性，為今后的類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某空間異形鋼拱橋的主橋?yàn)楣傲航M合體系下承式鋼拱橋。其主跨176 m，拱高50 m，橋?qū)?2.5～23.5 m，鋼箱雙主梁作為剛性系梁承受拉力，2個(gè)系梁之間采用橫梁連接，全橋共21對(duì)吊索，吊桿下錨點(diǎn)間距為7.8 m，上錨點(diǎn)間距4.8 m（圖1）。

1.2 工程難點(diǎn)

綜合分析本工程的施工條件，可梳理出本工程的幾個(gè)難點(diǎn)：

1）通航問題。由于目前現(xiàn)狀老橋航道按Ⅵ級(jí)航道考慮；新建工程按河道規(guī)劃Ⅳ級(jí)航道執(zhí)行：通航孔凈高7 m，通航孔凈寬120 m，最高通航水位6.32 m。因此整個(gè)工程的施工過程不能干擾正常的通航，不可使用大型浮吊。

圖1 空間異形鋼拱橋效果圖

2）老橋安全保證。由于旁邊的老橋與新橋距離較近，新橋修建過程及新橋修建完成之后，老橋依舊會(huì)作為主要交通干線發(fā)揮作用，故施工過程應(yīng)盡量避免高空作業(yè)，以免對(duì)老橋通行車輛的安全造成影響。

3）大質(zhì)量構(gòu)件安裝。由于拱肋質(zhì)量近1 200 t，算上風(fēng)撐、風(fēng)撐裝飾、拱肋側(cè)面裝飾，總質(zhì)量可達(dá)1 340 t，拱肋最高點(diǎn)可達(dá)距離橋面50 m的位置，并且拱肋水平長(zhǎng)度達(dá)到170 m左右，屬于超高空、大質(zhì)量、大尺寸的高工鋼結(jié)構(gòu)安裝作業(yè)，若使用常規(guī)的高空原位拼裝法，起重量較大，就位高度高，施工難度極大。

4）經(jīng)濟(jì)性和工期。作為市政民生工程，該工程要盡可能做到工程總造價(jià)低廉，以減小財(cái)政負(fù)擔(dān)，施工工期盡可能短，以盡快服務(wù)社會(huì)。

1.3 工程方案初選

綜合以上4個(gè)工程難點(diǎn)，可以針對(duì)鋼拱進(jìn)行施工方案的初步篩選。

若采用高空原位拼裝法，需在拱肋下方搭設(shè)滿堂腳手架，施工措施費(fèi)高昂且干擾航道通航，不符合通航和經(jīng)濟(jì)性要求；若采用纜索吊裝，拱肋的最高處距離橋面50 m，則需要架設(shè)高度超過50 m的纜索，但橋址位于市區(qū)，無天然的高纜索架設(shè)條件，施工措施費(fèi)十分高昂，不符合經(jīng)濟(jì)性要求。故可以初步選取先梁后拱、拱肋低位拼裝、豎向轉(zhuǎn)體就位的施工方法。

由于拱肋高度較高、跨度較大、質(zhì)量較大，若采用塔架轉(zhuǎn)體，因拱肋就位位置較高，塔架高度較高，搭設(shè)塔架的施工措施費(fèi)較高，不符合經(jīng)濟(jì)性要求。故拱肋的轉(zhuǎn)體施工初步選用三腳架起扳轉(zhuǎn)體。

為了使后錨點(diǎn)反力大小合適，三腳架選用尺寸較大，高度距離橋面30 m的形式，此時(shí)傳統(tǒng)三腳架的就位安裝需要借助大型吊裝設(shè)備（浮吊等），不符合本工程相應(yīng)的通航要求。

于是三腳架采用門式鋼架加2道柔性前拉索、1道柔性后拉索的形式，門式鋼架與拱肋通過轉(zhuǎn)鉸相連接，通過2道前拉索控制轉(zhuǎn)體過程中拱肋的變形，通過門式鋼架的轉(zhuǎn)鉸方便三腳架本身的安裝就位，門式鋼架內(nèi)布置2道交叉拉索，以增強(qiáng)門式鋼架平面內(nèi)的穩(wěn)定性。最終創(chuàng)新性地提出了三腳架首先轉(zhuǎn)體就位，拱肋隨后轉(zhuǎn)體就位的二次轉(zhuǎn)體施工方案。

2 豎向轉(zhuǎn)體施工方案

本工程的鋼拱采用三腳架起扳正角度二次轉(zhuǎn)體就位的施工方案。本節(jié)從轉(zhuǎn)體施工流程、施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)、同步轉(zhuǎn)體技術(shù)3個(gè)方面來介紹。

2.1 轉(zhuǎn)體施工流程

鋼拱轉(zhuǎn)體角度為30°（-1°～29°）。轉(zhuǎn)體總體布置情況如圖2所示。由于鋼拱左右對(duì)稱，可取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析闡述。

圖2 大橋整體豎向轉(zhuǎn)體平面及立面布置

轉(zhuǎn)體流程（以單側(cè)拱肋施工為例）主要分4個(gè)階段：

1）臥拼安裝階段。在低位臥拼安裝拱肋、門式鋼架、轉(zhuǎn)鉸、拉索、油缸等，并對(duì)鎖具進(jìn)行預(yù)緊。

2）第1次轉(zhuǎn)體階段（門式鋼架轉(zhuǎn)體階段）。對(duì)后拉索進(jìn)行加載，完成門式鋼架的轉(zhuǎn)體，在過程中調(diào)節(jié)2根前拉索，并對(duì)每根鋼絞線進(jìn)行預(yù)緊，使前拉索每根鋼絞線長(zhǎng)度相等。

3）第2次轉(zhuǎn)體階段（拱肋轉(zhuǎn)體階段）。將后拉索依次從轉(zhuǎn)體荷載的0加載至轉(zhuǎn)體荷載100%，直至拱肋到達(dá)設(shè)計(jì)位置，對(duì)拱腳進(jìn)行對(duì)位焊接。

4）合龍卸載階段。另一側(cè)拱肋按照上述過程完成施工后，焊接安裝合龍段，卸載前后拉索，拆除門式鋼架。

2.2 施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)

本次豎向轉(zhuǎn)體施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)主要包含了轉(zhuǎn)體輔助結(jié)構(gòu)三腳架的主要組成部分：門式鋼架和前后拉索，拱肋自身加固措施，為轉(zhuǎn)體提供反力的后錨點(diǎn)，傳遞橫向內(nèi)力的橋面梁傳力措施等。后文逐一作介紹。

2.2.1 門式鋼架

三腳架采用高度26 m、上跨6.5 m、下跨16.0 m（中心距）的門式桁架和拉索組合的形式，門式鋼架立桿選用DN1 200 mm×12 mm鋼管，上下橫桿選用DN1 000 mm×10 mm鋼管，為配合三腳架轉(zhuǎn)體就位，三腳架拉桿全部采用拉索。在門架內(nèi)側(cè)再加2道交叉索，與塔架底部連接，以加強(qiáng)門式鋼架平面內(nèi)的抗側(cè)剛度；門式鋼架與拱肋采用轉(zhuǎn)鉸進(jìn)行連接，方便第一次轉(zhuǎn)體，如圖3所示。

圖3 門式鋼架示意

2.2.2 拱肋整體加固

為保證肋整個(gè)拱體在轉(zhuǎn)體過程中的穩(wěn)定性和同步性，對(duì)拱肋用材質(zhì)為Q345B的H300 mm×300 mm× 10 mm×15 mm型鋼進(jìn)行加固。

2.2.3 前后拉索

前拉索總計(jì)4束，索材鋼絞線采用36根φ17.8 mm鋼絞線，每束設(shè)置500 t油缸，一端通過穿芯油缸支架與錨點(diǎn)耳板相連，另一端通過地錨與門式鋼架連接；后拉索采用4束，索材鋼絞線采用36根φ17.8 mm鋼絞線，每束配置500 t油缸，一端通過穿芯油缸支架與錨點(diǎn)耳板相連，另一端通過地錨支架與門式鋼架連接（圖4）。

圖4 拉索平面、立面布置示意

2.2.4 后錨點(diǎn)

后錨點(diǎn)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)包含2個(gè)部分：后錨點(diǎn)耳板預(yù)埋件和橋墩與橋面梁連接措施。

為明確豎向傳力路徑，預(yù)埋件在P12橋墩處的橋面梁內(nèi)預(yù)埋，遇到橋面梁空腔部分，需用混凝土將空腔填滿（圖5）。

圖5 后錨點(diǎn)耳板預(yù)埋件布置示意

為了將后錨點(diǎn)豎向力傳給橋墩，進(jìn)而利用樁的抗拔力進(jìn)行抵消，需對(duì)P12橋墩和橋面梁作臨時(shí)連接。在橋面梁底部及橋墩頂部預(yù)埋錨筋及鋼板，在鋼板上焊接一圈節(jié)點(diǎn)板，現(xiàn)場(chǎng)將上下節(jié)點(diǎn)板焊接，上下節(jié)點(diǎn)板與預(yù)埋鋼板在工廠焊接完成，既能夠解決現(xiàn)場(chǎng)誤差問題，又可以減少焊接工作量（圖6）。

圖6 橋面梁與橋墩連接構(gòu)造示意

2.2.5 橋面梁傳力措施

后錨點(diǎn)的水平力無法靠橋墩承受，若對(duì)主橋面梁和引橋面梁的變形縫采取構(gòu)造措施，使其能夠傳遞壓力，即可將轉(zhuǎn)體過程的水平力變成橋面梁內(nèi)力。

將梁上下進(jìn)行臨時(shí)連接，使得該部分在施工過程中能夠傳遞壓力，施工后能夠恢復(fù)伸縮功能（圖7）。

圖7 橋面梁連接構(gòu)造示意

2.2.6 拱肋轉(zhuǎn)鉸及對(duì)應(yīng)拱肋加勁

拱肋轉(zhuǎn)鉸分為拱腳轉(zhuǎn)鉸、壓桿底部轉(zhuǎn)鉸、鋼絞線轉(zhuǎn)鉸。其中拱腳轉(zhuǎn)鉸最為重要，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)體施工的重要部位。拱腳轉(zhuǎn)鉸如圖8所示。銷軸材質(zhì)采用40Cr鍛造材料，銷軸表面調(diào)質(zhì)處理，HB290—300，倒角均為3。上下鉸設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 拱腳轉(zhuǎn)鉸立面布置

為防止拱肋受到集中力變形，在拱肋轉(zhuǎn)鉸處，設(shè)置內(nèi)部加勁。拱肋上下轉(zhuǎn)鉸關(guān)系及拱肋內(nèi)部加勁如圖10所示。拱肋內(nèi)部，在加勁板對(duì)應(yīng)位置設(shè)置2道通長(zhǎng)的豎向加勁肋，橫向加勁肋為陰影部分加勁板。

圖9 轉(zhuǎn)鉸設(shè)計(jì)

圖10 拱肋內(nèi)部加勁示意

2.3 同步轉(zhuǎn)體控制技術(shù)

轉(zhuǎn)體采用計(jì)算機(jī)控制液壓同步轉(zhuǎn)體技術(shù)，其核心設(shè)備采用計(jì)算機(jī)控制，可以全自動(dòng)完成同步升降，實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警等多種功能，是集機(jī)、電、液、傳感器、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)于一體的現(xiàn)代化先進(jìn)施工設(shè)備。

主控計(jì)算機(jī)控制所有油缸統(tǒng)一動(dòng)作，并且保證各個(gè)轉(zhuǎn)體吊點(diǎn)位置同步：通過設(shè)定主令轉(zhuǎn)體吊點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)體吊點(diǎn)（跟隨吊點(diǎn)）均以主令吊點(diǎn)的位置作為參考來進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一過程依據(jù)油壓傳感器和距離傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 豎向轉(zhuǎn)體施工力學(xué)分析

由于拱肋左右對(duì)稱，僅取一側(cè)拱肋進(jìn)行施工力學(xué)分析，主要包括整體分析和局部分析。整體分析主要用以驗(yàn)證轉(zhuǎn)體輔助結(jié)構(gòu)和拱肋本身在整個(gè)轉(zhuǎn)體施工過程中的安全可靠，局部分析用以驗(yàn)證局部施工構(gòu)造在轉(zhuǎn)體施工過程中的安全可靠。

3.1 整體分析

拱肋轉(zhuǎn)體過程中整體應(yīng)力狀況應(yīng)用SAP2000有限元軟件進(jìn)行建模并分析計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行考慮p-Δ效應(yīng)的非線性分析。因拱肋內(nèi)部加勁復(fù)雜，質(zhì)量分布不均衡，在實(shí)際建模時(shí)，對(duì)拱肋分段建模，模擬其實(shí)際質(zhì)量及抗彎剛度。前索截面與后索截面根據(jù)實(shí)際配置的鋼絞線截面進(jìn)行模擬。

根據(jù)GB 51162—2016《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，在施工階段，風(fēng)荷載可考慮8級(jí)風(fēng)（拱肋風(fēng)荷載取值見表1），不考慮地震荷載作用。選取承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)共計(jì)8個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。

1）工況1、2：1.35Qs＋Fs1＋Fs2＋1.4Qx。

2）工況3、4：1.35Qs＋Fs1＋Fs2＋1.4Qy。

3）工況5、6：Qs＋Fs1＋Fs2＋Qx。

4）工況7、8：Qs＋Fs1＋Fs2＋Qy。

其中，Qs為自重，F(xiàn)s1為索預(yù)拉力，F(xiàn)s2為桁架索預(yù)拉力，Qx為x向（與橋平行方向）風(fēng)荷載，Qy為y向（與橋垂直方向）風(fēng)荷載。

表1 風(fēng)荷載計(jì)算

工況1—4用于計(jì)算轉(zhuǎn)體過程中拱肋及塔架的設(shè)計(jì)應(yīng)力、柱腳反力、構(gòu)件內(nèi)力、耳板內(nèi)力等；工況5—8用于計(jì)算轉(zhuǎn)體過程中的位移、標(biāo)準(zhǔn)索力等。

分別對(duì)三腳架轉(zhuǎn)體階段和拱肋轉(zhuǎn)體階段進(jìn)行整體分析。定性分析門式鋼架轉(zhuǎn)體階段的注意事項(xiàng)和受力變化規(guī)律；定量分析拱肋轉(zhuǎn)體階段該狀態(tài)下的索拉力、拱肋內(nèi)力、轉(zhuǎn)鉸反力、后拉點(diǎn)反力、門式鋼架內(nèi)力、拱肋合龍?zhí)幾畲笪灰频取Ｓ邢拊Ｐ腿鐖D11所示。

圖11 SAP2000實(shí)體模型

1）三腳架轉(zhuǎn)體即拱肋和門式鋼架低位拼裝完成后，先通過后拉點(diǎn)將門式鋼架從低位轉(zhuǎn)體就位。由于門架質(zhì)量較小，做定性分析即可。但是需要注意門架提起之后隨著角度變大，索力會(huì)迅速變小，起扳階段如果直接起扳的話，所需起提力非常大，會(huì)很容易由于索力控制不到位引起門架的晃動(dòng)，十分危險(xiǎn)。因此在門式鋼架起扳階段利用焊在門架上的臨時(shí)結(jié)構(gòu)增大拉索角度，從而減小起扳力，這樣會(huì)使整個(gè)起扳過程更加安全。

2）拱肋轉(zhuǎn)體即拱肋低位拼裝完成、門式鋼架就位后，通過后拉點(diǎn)將拱肋從低位轉(zhuǎn)體就位。分為初始狀態(tài)（-1°）、中間狀態(tài)（14°）和最終狀態(tài)（29°）。用SAP2000軟件計(jì)算得結(jié)果，應(yīng)力比云圖見圖12。拱肋轉(zhuǎn)體階段三個(gè)狀態(tài)分析結(jié)果見表2。

圖12 拱肋轉(zhuǎn)體施工三個(gè)狀態(tài)應(yīng)力比云圖

表2 拱肋轉(zhuǎn)體階段三個(gè)狀態(tài)分析結(jié)果

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析可知，初始狀態(tài)（-1°）的拉索索力、轉(zhuǎn)鉸反力、門架最大應(yīng)力比、拱肋最大應(yīng)力比均是整個(gè)轉(zhuǎn)體施工過程中的最大值，且符合規(guī)范要求。隨著轉(zhuǎn)體施工的進(jìn)行，拱肋重心向轉(zhuǎn)鉸移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)力和反力均在局部減小，符合基本力學(xué)規(guī)律。

由此可見，起提的初始階段為最危險(xiǎn)的階段，因此當(dāng)塔架離開臺(tái)架時(shí)，需靜置12 h，檢查各部件受力及變形情況，無異常后方可后續(xù)操作。

3.2 局部分析

局部分析主要包括轉(zhuǎn)鉸、吊耳、相應(yīng)拱肋加勁、后錨點(diǎn)等。因?yàn)槠虮疚膬H以拱腳轉(zhuǎn)鉸為例進(jìn)行局部分析（見圖9）。

由整體分析可知轉(zhuǎn)鉸設(shè)計(jì)的控制內(nèi)力為：Fx＝8 129.35 kN；Fy＝708.35 kN；Fz＝9 802.33 kN。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)鉸驗(yàn)算。

3.2.1 耳板孔壁承壓驗(yàn)算

計(jì)入貼板作用，分配到單片耳板上的總壓力為：F＝N＝（8 1292＋9 8022）1/2＝12 734 kN，A0=d＝300×（40＋40＋40）＝36 000 mm2，σ＝F/A0＝12 734 000/（36 000×2）＝176.9 N/mm2＜fd＝400 N/mm2。

3.2.2 銷軸抗剪驗(yàn)算

d＝300mm，Q＝T/2＝6 367 kN，τ＝4Q/（3A）＝（4×6 367 000）/（3×0.25π×3002×2）＝60.05 N/mm2＜fvd＝170 N/mm2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見轉(zhuǎn)鉸設(shè)計(jì)滿足轉(zhuǎn)體過程中的受力要求。其余的局部分析均可按此方法逐一進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，以保證轉(zhuǎn)體施工過程中各個(gè)局部節(jié)點(diǎn)的安全，過于復(fù)雜的受力節(jié)點(diǎn)還可以建立精細(xì)化實(shí)體模型（利用Abaqus等有限元軟件）進(jìn)行分析計(jì)算。

4 結(jié)語

本文基于某空間異形鋼拱橋的工程特點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了一種適用于此橋的三腳架起扳正角度二次轉(zhuǎn)體就位施工方案。此施工方法可以最大限度地減少高空作業(yè)，保障航道通航，同時(shí)相比傳統(tǒng)施工方法能夠減少工期和施工措施費(fèi)。文章針對(duì)此施工方案的整體和局部進(jìn)行了施工力學(xué)分析，驗(yàn)證了其可行性，為今后類似工程的施工提供了借鑒。