任為東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 工程概況

瀾滄江特大橋是新建大理至瑞麗鐵路大理至保山段的“咽喉”工程，大橋橫跨瀾滄江大峽谷，位于我國(guó)地形最為復(fù)雜的橫斷山脈西段。大瑞鐵路為國(guó)家“十一五”規(guī)劃西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)工程，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級(jí)雙線鐵路，設(shè)計(jì)速度160 km/h。瀾滄江特大橋橋跨布置為1-32 m+2-24 m+1-32 m簡(jiǎn)支箱梁+363 m上承式拱橋+1-32 m簡(jiǎn)支箱梁，橋梁全長(zhǎng)528.1 m，橋面設(shè)置有車站，橋面寬度14.5 m。瀾滄江特大橋主橋計(jì)算跨徑342 m，為上承式勁性鋼骨架鋼筋混凝土提籃拱橋。

橋址附近兩岸山體坡角最大超過(guò)80°，局部甚至直立。峽谷內(nèi)全年季風(fēng)時(shí)間占一半以上，風(fēng)速最大超過(guò)26 m/s，橋面距離江面超過(guò)270 m，施工難度在國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)史上極為罕見(jiàn)。橋跨立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 瀾滄江特大橋橋跨立面布置(單位：mm)

本橋主要的施工難點(diǎn)除了基礎(chǔ)施工外，重點(diǎn)需要解決拱肋勁性骨架鋼結(jié)構(gòu)和外包混凝土的施工方案。

2 主橋拱肋結(jié)構(gòu)

全橋長(zhǎng)528.1 m，主跨為上承式勁性鋼骨架鋼筋混凝土拱橋。拱肋為計(jì)算跨徑342 m、矢高82.416 m、矢跨比為l/4.15、拱軸系數(shù)m=3.4的懸鏈線拱，每條拱肋為單個(gè)混凝土箱形截面，內(nèi)包勁性鋼骨架，拱頂處拱肋混凝土箱截面高為6.9 m，拱腳截面徑向高為10.9 m。兩條拱肋內(nèi)傾角6.8°，以適應(yīng)拱頂剛架墩及橋面系布置。每條拱肋箱寬4.4 m，為單箱單室，腹板壁厚1.0～0.6 m，上、下翼緣板壁厚1.1 m。拱肋內(nèi)鋼勁性骨架平、立面見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 拱肋勁性骨架立面(單位：m)

圖3 拱肋勁性骨架平面(單位：m)

全橋共設(shè)置20道橫撐，橫撐也為混凝土箱形截面，內(nèi)包鋼管桁架作為勁性骨架，橫撐弦管為空鋼管。拱肋每肋截面為4管式鋼桁架，拱腳處上下弦管中心處桁架高9.5 m，拱頂高5.5 m。上、下弦管的鋼管外徑為1.0 m，壁厚根據(jù)受力部位的不同采用26，36，42，46 mm。豎向腹桿除拱腳處受力需要采用鋼箱截面外，其余為焊接工形截面或?qū)捯砭塇型鋼，拱肋斷面見(jiàn)圖4[1]。

圖4 拱肋斷面(單位：mm)

3 拱肋勁性鋼骨架施工方案研究

3.1 施工方案比選

拱橋相比其他形式的橋梁，其最大的難點(diǎn)就是拱肋的安裝，往往由于施工方案的好壞而決定了拱橋的成敗。國(guó)內(nèi)外大跨度拱橋常用的施工方法有支架法、纜索吊裝、平轉(zhuǎn)、豎轉(zhuǎn)等方法。由于大跨度拱橋的矢高較大，采用支架法施工的成本太高而基本上不采用。針對(duì)瀾滄江特大橋的拱肋勁性鋼骨架安裝主要比較了纜索吊裝、平轉(zhuǎn)、豎轉(zhuǎn)3種方法。

纜索吊裝每次吊裝一個(gè)節(jié)間的拱肋桁架，重約600 kN，全橋共80個(gè)節(jié)段，至少需要8～9個(gè)月時(shí)間；纜索吊裝方法安裝拱肋勁性鋼骨架，施工過(guò)程中勁性鋼骨架為柔性拉索的大懸臂結(jié)構(gòu)，節(jié)段間連接為空中作業(yè)，安裝就位異常困難，焊接質(zhì)量也難以保證；瀾滄江橋橋位位于峽谷內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境多變，風(fēng)力大，施工面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；另外，由于節(jié)段施工工期長(zhǎng)，也大大增加了橋梁施工的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[2]。

對(duì)于平轉(zhuǎn)法施工，由于橋址處兩岸巖體陡峭，需要進(jìn)行大面積爆破形成平轉(zhuǎn)場(chǎng)地，有可能導(dǎo)致大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害，不利于環(huán)境保護(hù)，所以不是一個(gè)合適的施工方案[3]。

而采用豎轉(zhuǎn)法，可以利用兩岸陡峭的巖體支撐勁性骨架，拱肋拼裝時(shí)的懸臂小，位移還可通過(guò)拉索進(jìn)行控制，且可以利用塔吊進(jìn)行拱肋立式拼裝，鋼結(jié)構(gòu)安裝對(duì)位、焊接條件好，需要的施工場(chǎng)地小，適合本橋的場(chǎng)地條件，安全可靠、方便快捷。

拱橋的豎轉(zhuǎn)施工近年來(lái)已有很多成功的經(jīng)驗(yàn)，其中代表性的橋梁廣州丫髻沙大橋，其主跨為360 m的鋼管混凝土拱橋，主拱拱肋采用了“變角度、變索力”的豎轉(zhuǎn)法施工，每岸的拱肋豎轉(zhuǎn)質(zhì)量為2 050 t[4]。

由于普通千斤頂都是用來(lái)做提升作業(yè)，當(dāng)往下放時(shí)會(huì)帶來(lái)一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，隨著近幾年國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的大型桿件越來(lái)越多地采用整體提升技術(shù)，連續(xù)頂升千斤頂技術(shù)越來(lái)越完善，千斤頂在保證安全的前提下不僅能上提還能下放。連續(xù)千斤頂下降操作流程如下。

第一步，荷重縮缸：上錨緊、下錨松、主油缸開(kāi)始縮缸，構(gòu)件下降一段距離。第二步，錨具切換：主油缸縮缸至距下極限還有一小段距離，停止縮缸，下錨緊，上錨停。第三步，縮缸拔上錨：主油缸再縮缸一小段距離，可松開(kāi)上錨。第四步，空載伸缸：上錨松，下錨緊，主油缸伸缸至距上極限還有一小段距離，停止伸缸。第五步，錨具切換：上錨緊、下錨停、主油缸無(wú)動(dòng)作。第六步，荷重伸缸，拔下錨：上錨緊、主油缸再伸缸一小段距離，松下錨，重復(fù)第一步。

按上述步驟油缸反復(fù)操作，構(gòu)件便可實(shí)現(xiàn)下降的動(dòng)作，實(shí)際操作通過(guò)對(duì)千斤頂?shù)臉?gòu)造改進(jìn)使提升和下降的操作原理基本一致，安全有保證。

通過(guò)上述施工方案比較，確定了拱肋勁性骨架鋼結(jié)構(gòu)采用豎轉(zhuǎn)施工方案。

3.2 拱肋勁性骨架豎轉(zhuǎn)方案

在初步設(shè)計(jì)階段，拱肋勁性骨架施工方案是一次豎轉(zhuǎn)方案，見(jiàn)圖5。每岸勁性骨架桿件通過(guò)施工塔吊逐根進(jìn)行安裝。由于受工期限制，每岸需各配置2臺(tái)塔吊，以滿足單根桿件拼裝需求。先利用汽車吊機(jī)安裝塔吊，再在拱座上安裝拱肋豎轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)以上山坡巖體進(jìn)行加固及小面積開(kāi)挖，并在開(kāi)挖后的巖體上用錨桿鉆機(jī)鉆孔，安裝鋼絞線錨桿、灌漿、張拉，設(shè)置混凝土巖錨，利用巖錨作為拱肋支撐架、剛性支撐、拉索固定支撐點(diǎn)和錨固點(diǎn)，然后搭設(shè)拱肋支撐架用于勁性骨架下部節(jié)段的支撐，以保證拱肋拼裝線形滿足要求。利用塔吊逐根拼裝勁性骨架桿件，同步安裝拱肋剛性支撐。往上逐段拼裝勁性骨架，同時(shí)需逐層安裝拉索，以增強(qiáng)勁性骨架的剛度，減小其懸臂變形，拉索上端錨固在勁性骨架節(jié)點(diǎn)上，下端分別錨固在巖體上和拱腳上；另外，需在勁性骨架上設(shè)置幾道橫橋向八字浪風(fēng)纜索用于提高勁性骨架的橫向穩(wěn)定[5]。

圖5 拱肋一次豎轉(zhuǎn)示意(大理岸)

3.3 豎轉(zhuǎn)方案優(yōu)化

結(jié)合施工單位進(jìn)場(chǎng)后臨時(shí)開(kāi)挖對(duì)橋位處地形的改變情況，同時(shí)對(duì)塔吊和纜索吊進(jìn)行拱肋鋼桿件安裝的方案進(jìn)行了充分比較，在施工圖設(shè)計(jì)階段將一次豎轉(zhuǎn)優(yōu)化為二次豎轉(zhuǎn)方案，并將原利用塔吊進(jìn)行鋼節(jié)段吊裝改為纜索吊吊裝，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 拱肋二次豎轉(zhuǎn)施工布置示意

圖7 大理岸一次豎轉(zhuǎn)就位示意

主要步驟：安裝跨越峽谷的纜索吊，在兩岸山體上分別施工拱肋鋼結(jié)構(gòu)拼裝支架；利用纜索吊吊裝鋼構(gòu)件，在支架上進(jìn)行拼裝；啟動(dòng)錨固在保山側(cè)山體上的牽引拉索控制系統(tǒng)，開(kāi)始大理側(cè)上半段拱肋的第一次豎轉(zhuǎn)；待上部拱肋豎轉(zhuǎn)65°后安裝下扣索，此時(shí)對(duì)上、下扣索進(jìn)行初張拉，并焊接上、下半段拱肋間中間轉(zhuǎn)鉸處拱肋的合龍段鋼管，完成大理側(cè)拱肋第一次豎轉(zhuǎn)；啟動(dòng)大理側(cè)拱肋第二次豎轉(zhuǎn)，豎轉(zhuǎn)前，調(diào)整牽引拉索與扣索內(nèi)力，使中間轉(zhuǎn)鉸處的拉壓桿連接內(nèi)力接近為零，解除中間轉(zhuǎn)鉸附近的約束；啟動(dòng)牽引拉索，同步緩放大理側(cè)拱肋上的上、下扣索，使半跨拱肋整體向下豎轉(zhuǎn)40°后停止，此時(shí)拆除拱肋牽引拉索。掛設(shè)保山側(cè)拱肋牽引拉索及扣索。同樣操作保山側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)，待兩岸拱肋都豎轉(zhuǎn)到位后，調(diào)整拱肋線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行主拱跨中合龍施工。

4 豎轉(zhuǎn)施工方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分別考慮豎轉(zhuǎn)過(guò)程中的8種主要工況進(jìn)行計(jì)算，豎轉(zhuǎn)施工工況劃分如下。

工況1：豎轉(zhuǎn)啟動(dòng)，上半拱脫離支架，下半拱仍靠著山坡上；工況2：兩岸上半拱肋各豎轉(zhuǎn)20°；工況3：兩岸上半拱肋各豎轉(zhuǎn)40°；工況4：大理上拱肋豎轉(zhuǎn)65°，瑞麗側(cè)上拱肋豎轉(zhuǎn)55°，轉(zhuǎn)至上下拱肋合拼位置，中間鉸未合龍，未撤去剛性桿，上扣索每索初拉力1 240 kN；工況5：中間鉸合龍，撤去拉壓桿和山體支撐，扣索每索初拉力施加1 240 kN；工況6：二次豎轉(zhuǎn)20°，上扣索每索初拉力1 240 kN；工況7：二次豎轉(zhuǎn)40°；工況8：豎轉(zhuǎn)至合龍狀態(tài)，調(diào)索至拱頂高程一致。

4.1 拱座豎轉(zhuǎn)鉸(圖8)

豎轉(zhuǎn)鉸在豎轉(zhuǎn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力見(jiàn)表1(以大理岸拱肋為例)。

表1 下轉(zhuǎn)鉸反力

豎轉(zhuǎn)鉸底轉(zhuǎn)盤與水平面傾斜10°放置(圖9)，最不利工況下合力同豎轉(zhuǎn)鉸中軸線夾角34.28°，小于45°，可以保證整個(gè)施工過(guò)程中轉(zhuǎn)鉸的安全。

圖9 拱座豎轉(zhuǎn)鉸反力夾角示意

4.2 中間轉(zhuǎn)鉸

中間轉(zhuǎn)鉸為二次豎轉(zhuǎn)的關(guān)鍵構(gòu)件，為保證同一岸拱肋中間轉(zhuǎn)鉸的四個(gè)銷軸位于同一平行地面的直線上，在每條拱肋上、下兩部分拱肋節(jié)段上分別通過(guò)腹桿形成一個(gè)三角桁片，每個(gè)三角桁片下面對(duì)應(yīng)1根φ1.2 m內(nèi)灌混凝土的橫撐鋼管，鋼管通長(zhǎng)設(shè)置，連接每岸的兩條拱肋，通過(guò)橫撐鋼管確保銷軸定位和傳力[6]，見(jiàn)圖10。

圖10 中間轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)

對(duì)中間轉(zhuǎn)鉸整體受力進(jìn)行轉(zhuǎn)體過(guò)程分析，確定了每岸拱肋第一次豎轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)的工況為最不利工況，以此工況荷載作為輸入荷載條件對(duì)中間轉(zhuǎn)鉸進(jìn)行有限元分析。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耳板同支腿相交處進(jìn)行焊接連接時(shí)，耳板、支腿的局部應(yīng)力遠(yuǎn)超出鋼材屈服強(qiáng)度，這是由于不必要的約束造成的，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)文件中明確此處不允許焊接。當(dāng)不考慮耳板同支腿焊接連接時(shí)，耳板最大應(yīng)力發(fā)生在銷孔處，最大主拉應(yīng)力為211 MPa，最大主壓應(yīng)力為291 MPa。支腿最大主拉應(yīng)力為262 MPa，最大主壓應(yīng)力為459 MPa，其中最大主壓應(yīng)力超出鋼結(jié)構(gòu)屈服值，但應(yīng)力超限結(jié)構(gòu)范圍非常小，經(jīng)分析不會(huì)影響結(jié)構(gòu)受力。支腿受力分析見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 支腿主拉應(yīng)力(單位：MPa)

圖12 支腿主壓應(yīng)力(單位：MPa)

中間轉(zhuǎn)鉸的每個(gè)銷軸直徑為300 mm，外設(shè)銅套。每個(gè)銷軸上承受最大荷載為3 750 kN，經(jīng)計(jì)算孔壁壓力100 MPa，銷軸抗剪應(yīng)力為35 MPa，滿足受力要求[7]。

4.3 拱肋拉壓桿(圖13)

圖13 拉壓桿結(jié)構(gòu)

拉壓桿在拱肋第一次豎轉(zhuǎn)時(shí)用于抵抗拱肋上拉索對(duì)中間轉(zhuǎn)軸以下拱肋的拉力，當(dāng)上半部分拱肋豎轉(zhuǎn)就位后，拱肋豎向成為半拱，這時(shí)拉壓桿開(kāi)始受壓，對(duì)拱肋起到穩(wěn)定支撐作用。每岸拉壓桿為平面桁架結(jié)構(gòu)，其中弦桿為1.2 m×0.8 m的鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼箱頂、底板壁厚20 mm，腹板壁厚16 mm；桁架間的腹桿為φ600 mm×8 mm鋼管。同拱肋側(cè)通過(guò)分配梁連接到每條拱肋的兩根上弦鋼管上，另一端通過(guò)分配梁連接到2號(hào)墩的承臺(tái)上，拉壓桿作為傳力桿件將荷載最終傳遞到2號(hào)墩承臺(tái)上。經(jīng)計(jì)算最不利工況每岸的拉壓桿最大壓力為7 292 kN，對(duì)應(yīng)的弦桿鋼箱截面應(yīng)力為52.7 MPa。轉(zhuǎn)體施工期間在拉壓桿上設(shè)置傳感器監(jiān)測(cè)其內(nèi)力變化，在第二次豎轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)桿件內(nèi)力接近0，及時(shí)解除拉壓桿同拱肋的連接，保證拱肋轉(zhuǎn)體不受影響。

5 拱肋外包混凝土施工設(shè)計(jì)

結(jié)合本橋拱肋結(jié)構(gòu)形式，拱肋勁性骨架外包混凝土施工提出了“八工作面分段施工法”、“三環(huán)八工作面五節(jié)施工法”、“四環(huán)八工作面五節(jié)施工法”3個(gè)施工比較方案，通過(guò)計(jì)算分析，比較鋼管混凝土桁架及外包混凝土的受力情況，選出最優(yōu)方案[8-10]。

5.1 外包混凝土施工方案比較

方案1：八工作面分段施工法

全橋共設(shè)8個(gè)工作平面(半跨4個(gè))，每個(gè)工作面同時(shí)施工，每次每工作面澆筑1個(gè)節(jié)段(1～2節(jié)間不等)，每節(jié)段均為完整的箱梁節(jié)段(包括底、腹、頂板及其倒角)。

方案2：三環(huán)八工作面五節(jié)施工法

“三環(huán)”分別對(duì)應(yīng)單箱單室箱梁的底板環(huán)、腹板環(huán)和頂板環(huán)，施工中先形成底板環(huán)，再形成腹板環(huán)，最后是頂板環(huán)。每環(huán)施工按“八工作面五節(jié)施工法”進(jìn)行，見(jiàn)圖14。

圖14 底板環(huán)八工作面施工示意

方案3：四環(huán)八工作面五節(jié)施工法

四環(huán)八面法是在三環(huán)八面法基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，保持底板和頂板的施工不變，將原來(lái)的腹板環(huán)一分為二，分為腹板下環(huán)和腹板上環(huán)，四環(huán)劃分見(jiàn)圖15。四環(huán)的澆筑順序依次為：底板環(huán)—腹板下環(huán)—腹板上環(huán)—頂板環(huán)，每環(huán)內(nèi)的施工仍維持“八工作面五節(jié)施工法”不變。

圖15 拱肋混凝土四環(huán)澆筑分布示意

5.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(1)主鋼管應(yīng)力

表2給出了3個(gè)模型在外包混凝土階段和施工成橋階段的主鋼管峰值應(yīng)力。

表2 外包施工法模型主鋼管峰值應(yīng)力(壓應(yīng)力為負(fù)) MPa

從表2可見(jiàn)，方案1成橋時(shí)主鋼管峰值力最大，方案2、方案3鋼管最大應(yīng)力基本一致，應(yīng)力峰值比分段施工法降低近6%。另外，提取3個(gè)施工方案計(jì)算模型中拱肋截面鋼管在外包完成階段的鋼管應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)，分段施工法的應(yīng)力曲線起伏最大，即應(yīng)力分布最不均勻，分環(huán)法應(yīng)力分布好于分段法應(yīng)力分布。

(2)外包混凝土應(yīng)力

表3給出了3種模型在外包混凝土階段和施工成橋階段的外包混凝土峰值應(yīng)力。

表3 外包混凝土峰值應(yīng)力(壓應(yīng)力為負(fù)) MPa

從表3可見(jiàn)，方案3外包混凝土的峰值應(yīng)力最為良好，方案1次之，方案2應(yīng)力最大。分析原因是由于方案3分四環(huán)澆筑，使得每次澆筑的腹板混凝土濕重降低，同時(shí)改變了峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置；方案1分段施工，雖然濕重會(huì)比較大，但是由于箱梁截面可以全截面參與受力，受力相對(duì)比較均勻。

(3)截面內(nèi)力

選取拱腳截面內(nèi)力作為對(duì)比對(duì)象，由表4可知，就拱腳內(nèi)力而言，分段施工法得到的內(nèi)力最小。

表4 拱腳截面內(nèi)力

(4)施工穩(wěn)定性系數(shù)

3個(gè)外包混凝土方案都有較高的穩(wěn)定安全系數(shù)，各種施工方案在施工過(guò)程中最小的穩(wěn)定系數(shù)都大于8，均能滿足施工穩(wěn)定性。

5.3 結(jié)論

(1)從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果看，方案2、方案3采用分環(huán)后可以有效降低鋼管應(yīng)力的變化幅度。方案3四環(huán)八面法，鋼管應(yīng)力和外包混凝土的拉應(yīng)力都是3個(gè)方案中最小的，其中混凝土最大拉應(yīng)力為1.04 MPa。

(2)3個(gè)施工方案均能滿足施工穩(wěn)定性，雖然方案1的拱腳截面內(nèi)力最小，但方案2、方案3也都可以滿足截面受力要求。

(3)施工方面，分環(huán)更方便施工。

結(jié)合各方因素綜合考慮，最終設(shè)計(jì)采用基于四環(huán)八面法施工的外包混凝土施工方案，但實(shí)際實(shí)施時(shí)對(duì)每一環(huán)的施工分段進(jìn)行了更進(jìn)一步優(yōu)化和細(xì)化，形成最終的“四環(huán)多工作面”施工工序。最終外包混凝土恒載工況最大壓應(yīng)力10.8 MPa，沒(méi)出現(xiàn)拉應(yīng)力；恒載工況鋼管最大應(yīng)力255 MPa。

6 結(jié)語(yǔ)

瀾滄江鐵路特大橋主跨342 m的拱肋施工是全橋的關(guān)鍵施工工序，結(jié)合峽谷區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)，開(kāi)展了全橋整個(gè)施工過(guò)程的抗風(fēng)數(shù)值分析，確保了大橋的施工安全；通過(guò)有限元理論計(jì)算，分析了內(nèi)填外包混凝土的鋼管混凝土截面復(fù)雜的受力性能，并將成果納入《鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》編制中；創(chuàng)新采用了拱肋勁性骨架二次豎轉(zhuǎn)和分環(huán)多工作面外包混凝土施工工藝，形成了大跨度山區(qū)鐵路混凝土拱橋拱肋全套施工工藝，成功解決了陡峭山區(qū)鐵路拱橋施工技術(shù)難題。

2016年11月15日瀾滄江特大橋鋼管勁性骨架轉(zhuǎn)體合龍，每岸豎向轉(zhuǎn)體質(zhì)量達(dá)2 500 t。2019年1月拱肋外包混凝土完成施工。2020年6月29日全橋土建結(jié)構(gòu)基本完工。通過(guò)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控，拱肋實(shí)際受力和變形同理論計(jì)算基本一致。