姜海波

（江蘇金堰交通工程有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

拱橋是一種古老的橋型，因其造型優(yōu)美、造價(jià)經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)獨(dú)特等優(yōu)勢(shì)而得以廣泛應(yīng)用[1]。其中，下承式系桿拱橋作為一種無(wú)推力的拱式組合體系橋梁，因其超強(qiáng)的跨越能力和地基適應(yīng)能力而被持續(xù)建造[2]。系桿拱橋分“先梁后拱”與“先拱后梁”兩種施工方法[3]。當(dāng)跨越山谷、高等級(jí)航道及其他不宜采用支架施工的情況時(shí)，可采用“先拱后梁”的無(wú)支架施工方法。

系桿拱橋無(wú)支架施工是通過(guò)先架設(shè)的拱肋作為系梁和橋面系的施工平臺(tái)，從而避免橋下支架的搭設(shè)[4]。永久系桿施工前，采用“先拱后梁”施工的系桿拱橋需要設(shè)置臨時(shí)索，用以抵抗施工期間的拱腳推力。為保證施工期間的安全，臨時(shí)索的設(shè)計(jì)是本方法的關(guān)鍵之一，本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)臨時(shí)索設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。

臨時(shí)索噸位較大，巨大的水平將由增設(shè)的臨時(shí)錨固塊進(jìn)行承擔(dān)，因此臨時(shí)索錨固塊的安全性十分重要。相似工程的研究表明，該處受力十分復(fù)雜[5]，需對(duì)其進(jìn)行局部受力分析。

1 工程概況

新建泰東河大橋位于泰州市姜堰區(qū)，上部結(jié)構(gòu)為主跨115 m 的下承式鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)推薦采用少支架拼裝的先梁后拱施工方法，后結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，基于施工便利性和成本分析對(duì)施工方法進(jìn)行了比選。經(jīng)詳細(xì)論證，變更為先拱后梁的無(wú)支架施工方法。主橋計(jì)算跨徑為111 m，矢高為22.2 m，矢跨比1/5，標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度（不含拱肋區(qū)）12.0 m。橫向采用兩片拱肋，拱肋為啞鈴型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋鋼管外徑1 m，兩片拱肋間設(shè)置風(fēng)撐；系梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，通過(guò)拱腳鋼混結(jié)合段與拱肋進(jìn)行有效連接，系梁高度為2 m。泰東河大橋主橋的總體布置如圖1 所示。

圖1 泰東河大橋總體布置圖（單位：cm）

新建泰東河大橋采用無(wú)支架施工方法進(jìn)行安裝，主要的施工步驟如下：

（1）下部結(jié)構(gòu)和拱腳（含端橫梁）施工。該部分施工采用支架現(xiàn)澆法，支架均設(shè)置在通航航道范圍之外。

（2）拱肋安裝。無(wú)支架施工方法采用“先拱后梁”的順序施工，拱肋安裝可采用轉(zhuǎn)體、懸臂扣索和整體吊裝等多種施工方法。本工程拱肋采用鋼管混凝土，先整體吊裝鋼管，拱腳焊接合龍完成后澆筑拱肋混凝土。

系梁施工完成前，拱腳需要設(shè)置抗推構(gòu)造抵抗拱腳水平推力。因拱腳推力較大，如采用橋墩本身進(jìn)行被動(dòng)抗推，橋墩和樁基將設(shè)計(jì)的十分強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)性和美觀性較差。基于此，本工程采用臨時(shí)索進(jìn)行主動(dòng)控制。鋼管拱肋焊接完成后即進(jìn)行臨時(shí)索安裝。

（3）系梁安裝。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高2 m，梁寬1.2 m,采用分段預(yù)制安裝的施工方法。每片系梁分為9 個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度為9.9～15.25 m，系梁節(jié)段之間、系梁與拱腳之間現(xiàn)澆濕接縫進(jìn)行連接。

系梁安裝分步進(jìn)行，每個(gè)節(jié)段安裝后，拱腳水平推力逐漸增大，拱腳位移增大，因此安裝后均需要進(jìn)行臨時(shí)索的張拉，將拱腳位移控制在允許范圍內(nèi)。系梁節(jié)段安裝完成后，進(jìn)行臨時(shí)鎖定并澆筑濕接縫形成整體，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后拆除臨時(shí)索完成體系轉(zhuǎn)換。

（4）橋面系施工。橋面系施工主要包括橫梁施工、橋面板安裝、附屬設(shè)置施工。其中，中橫梁與橋面板均采用預(yù)制構(gòu)件，中橫梁與系梁采用濕接縫連接，橋面板簡(jiǎn)支支撐于橫梁上。

2 泰東河大橋臨時(shí)錨固設(shè)計(jì)

臨時(shí)索的設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)步驟：（1）根據(jù)全過(guò)程施工模型，計(jì)算各階段需要的水平推力，確定最大臨時(shí)索力，并合理選取臨時(shí)索總根數(shù)；（2）根據(jù)確定的臨時(shí)索總根數(shù)，結(jié)合錨固構(gòu)造與施工條件，進(jìn)行錨固區(qū)詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 最大臨時(shí)索力的確定

為計(jì)算施工過(guò)程中各階段的水平推力，建立全過(guò)程施工模型（見(jiàn)圖2），兩側(cè)拱腳邊界條件均設(shè)置水平約束，拱腳水平反力即為水平推力。

圖2 全過(guò)程施工模型

臨時(shí)索主要在系梁濕接縫澆筑前用以抵抗拱腳推力，系梁澆筑完成后即可拆除臨時(shí)索，拱腳水平力通過(guò)系梁（內(nèi)置預(yù)應(yīng)力束）抵抗。將系梁濕接縫澆筑前的單個(gè)支座水平推力變化過(guò)程繪制成曲線圖，如圖3 所示。

圖3 拱腳水平推力變化曲線

從圖3 可以看到，隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)承擔(dān)的豎向荷載越來(lái)越多，水平推力也逐漸增大，濕接縫合龍階段，水平推力達(dá)到最大值，最大值為6 719 kN，臨時(shí)索的設(shè)計(jì)荷載即為上述最大水平推力。

2.2 錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)

系梁拱腳與端橫梁區(qū)域設(shè)置了體外預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固塊，根據(jù)上述最大臨時(shí)索力進(jìn)行體外束的選取與布置，兩側(cè)各布置了4 束19φs15.2 mm 鋼絞線，其張拉控制應(yīng)力小于0.65 fpk=1 209 MPa。具體臨時(shí)索布置及錨固詳細(xì)構(gòu)造如圖4 所示。

圖4 臨時(shí)索布置示意圖

3 臨時(shí)錨固受力特性分析

3.1 有限元分析模型

為精細(xì)化分析臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)系梁拱腳和端橫梁混凝土的局部應(yīng)力水平和局部變形情況，采用土木工程非線性和細(xì)部分析軟件Midas FEA，在體外預(yù)應(yīng)力鋼束作用下對(duì)系梁拱腳與端橫梁區(qū)域混凝土進(jìn)行三維仿真分析。為正確模擬邊界條件，模型考慮同時(shí)建立拱腳系梁、端橫梁、鋼管混凝土拱肋、體外束、錨固塊及端橫梁加強(qiáng)構(gòu)造。本文建立的有限元分析模型如圖5 所示。

圖5 有限元分析模型

模型有限元計(jì)算模型中的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重和端橫梁預(yù)應(yīng)力荷載，以及體外鋼束的水平作用力。其中，結(jié)構(gòu)自重按軟件自重計(jì)入；預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)軟件自帶預(yù)應(yīng)力荷載功能進(jìn)行加載；體外鋼束的水平作用力通過(guò)面荷載施加于鋼束孔道范圍的節(jié)點(diǎn)上；系梁重量通過(guò)節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行施加。施工過(guò)程選取了系梁合龍前。

3.2 有限元分析結(jié)果

3.2.1 端橫梁受力分析

在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，端橫梁橫橋向正應(yīng)力分布如圖6 所示。

圖6 端橫梁橫橋向正應(yīng)力分布圖

從圖6 可以看出，（1）臨時(shí)索力的施加，導(dǎo)致橫梁受力發(fā)生變化，存在明顯的橫向彎曲效應(yīng)，順橋向應(yīng)力分布不均勻，呈現(xiàn)梯度分布規(guī)律，施工期間預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)機(jī)要充分考慮橫向不均勻性，宜采用橫向不對(duì)稱張拉。（2）端橫梁橫橋向正應(yīng)力大多處在-7.66～2.35 MPa；拉應(yīng)力出現(xiàn)在近跨中側(cè)上緣，最大值為2 MPa，端橫梁與錨固塊交界局部位置應(yīng)力集中達(dá)到4 MPa。

3.2.2 錨固塊受力分析

在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，錨固塊主拉應(yīng)力分布如圖7所示。

從圖7 可以看出，錨固塊的主拉應(yīng)力大多處在-0.91～4.17 MPa；主拉應(yīng)力較大值主要出現(xiàn)在臨時(shí)索錨下區(qū)及與系梁交界位置。錨固塊整體主拉應(yīng)力較小，滿足受力要求。

圖7 錨固塊主拉應(yīng)力分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了泰東河大橋無(wú)支架施工流程，并對(duì)臨時(shí)索設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上對(duì)錨固橫梁和錨固塊受力特性進(jìn)行了精細(xì)化計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

（1）隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，拱腳水平推力逐漸增大，系梁濕接縫合龍階段，水平推力達(dá)到最大值，本項(xiàng)目單側(cè)最大水平推力為6 719 kN。

（2）臨時(shí)索力的施加，導(dǎo)致橫梁受力發(fā)生變化，存在明顯的橫向彎曲效應(yīng)。端橫梁與錨固塊交界局部位置應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)布置加強(qiáng)鋼筋防止施工過(guò)程中開(kāi)裂。

（3）錨固塊主拉應(yīng)力較大值主要出現(xiàn)在臨時(shí)索錨下區(qū)及與系梁交界位置，錨固塊整體主拉應(yīng)力較小，滿足受力要求。