武秀軍 WU Xiu-jun

（中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司，北京 102308）

0 引言

梁拱組合橋因結(jié)構(gòu)變形性、抗風(fēng)抗震性、抗疲勞性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好，具有跨度大、承載能力高等優(yōu)勢[1]，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全等因素，是強(qiáng)力競爭橋型之一[2]。梁拱組合橋常用施工方法為先梁后拱，鋼管拱常用施工方法有原位支架拼裝法、豎轉(zhuǎn)法、提升法等[3]。不同施工方法對工期、成橋線形控制等方面影響程度不同。卜東平[4]采用BIM 技術(shù)對鋼管拱拱肋深化加工安裝，并對施工方案進(jìn)行模擬。陳躍[5]通過研究認(rèn)為原位拼裝支架法在鋼管拱受力變形、應(yīng)力變化等方面較豎轉(zhuǎn)法優(yōu)勢明顯。傅安民[6]研究鋼管拱在高速公路垂直投影面以外搭設(shè)的輔助支架上拼裝。盧長炯[7]利用MIDAS/Civil 軟件對拼裝過程鋼箱拱肋、定位支架的關(guān)鍵施工過程進(jìn)行仿真分析，確保了施工過程和成橋結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

以雷嶺河特大橋主跨160m 梁拱組合橋為依托，優(yōu)化拱肋拼裝方案，利用有限元法開展拱肋不對稱拼裝施工過程模擬，分析支架受力穩(wěn)定性能，并進(jìn)行施工監(jiān)測。

1 工程概況

雷嶺河特大橋（76+160+76）m 連續(xù)梁拱主跨同時上跨雷嶺河和S238 省道，與線路大里程夾角約76°43″。主拱肋采用豎直平行鋼管混凝土啞鈴拱，從橋面開始起拱，兩拱肋中心距14.8m，計算跨度160m，矢跨比f/L=1/5，拱肋立面矢高32m，拱肋采用二次拋物線。拱肋高3.1m，拱管直徑1.1m，拱管壁厚20mm、24mm，腹板壁厚16mm，拱肋鋼管和腹腔內(nèi)灌注C55 自密實補償收縮混凝土。拱肋之間設(shè)2 道橫撐、6 道K 撐。吊桿采用GJ15-10 和GJ15-12 型整束擠壓鋼絞線拉索，雙層HDPE 高密度聚乙烯護(hù)套，吊桿縱向間距9m，共設(shè)32 組縱向吊桿。

2 拱肋拼裝方案

2.1 施工方案優(yōu)化

鋼管拱原設(shè)計采用豎轉(zhuǎn)法（方案1）進(jìn)行施工，在橋面搭設(shè)拼裝支架進(jìn)行拱肋拼裝，在主墩位置設(shè)置豎轉(zhuǎn)提升的索塔（塔頂距梁面高55m）及提升設(shè)備，待兩側(cè)拱肋拼裝完成后，豎轉(zhuǎn)提升至設(shè)計位置合龍。結(jié)合現(xiàn)場情況，擬采用原位不對稱拼裝法（方案2）進(jìn)行鋼管拱施工，橋面上搭設(shè)臨時格構(gòu)式鋼管承重支架，采用130t 汽車吊在梁面上從拱腳開始逐節(jié)吊裝拱肋至支架上拼裝，直至拱頂合龍，如圖1 所示。

圖1 兩個比選方案示意圖

通過對兩種拼裝方案進(jìn)行對比分析，如表1 所示，綜合考慮后采用方案2。

表1 拼裝方案比選分析

2.2 不對稱拼裝方案

①拱肋施工分段。鋼管拱分為拱腳預(yù)埋段、拱肋標(biāo)準(zhǔn)段、合龍段和橫撐。拱腳預(yù)埋段與連續(xù)梁0#塊同步施工。為減少焊接工作量，且便于運輸，拱肋標(biāo)準(zhǔn)段劃分為12 個節(jié)段。為減少高空焊接作業(yè)，現(xiàn)場再拼接成6 個吊裝節(jié)段單元，節(jié)段單元最大長度29.92m，最大重量49.6t。

②支架體系。拼裝支架采用雙柱型格構(gòu)式鋼管立柱，共布置5 組，鋼管立柱規(guī)格為?426×8mm、?325×8mm，頂部分配梁規(guī)格為雙拼I36a、雙拼I40a 工字鋼，連接系橫桿、斜桿采用[16a，拱肋支架立柱布置間距有四種：5600×2000mm、4500×2000mm、2500×2000mm 和3000×2000mm，立柱連接采用焊接，連接系與立柱連接采用連接板連接。分配梁頂設(shè)置月牙板用于支撐拱肋，板厚δ=24mm，高度根據(jù)實際調(diào)整。拱肋拼裝支架材質(zhì)規(guī)格均為Q235B。鋼管柱底部與梁體預(yù)埋錨板焊接，板厚δ=24mm，錨筋采用9根?16mmHPB300 圓鋼。

③施工過程。拼裝支架及拱肋均采用位于橋面的130t汽車吊側(cè)方位從地面依次對稱吊裝。拱肋不對稱拼裝施工流程如表2 所示。

表2 拱肋不對稱拼裝施工流程

2.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

在拱肋拼裝施工過程中，拱肋與支撐支架存在失穩(wěn)安全風(fēng)險，在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生局部屈曲，面臨的關(guān)鍵問題如下：①在拱肋不對稱拼裝階段，支架與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的強(qiáng)度、剛度等有待驗證。②臨時設(shè)備荷載大，支架將拱肋荷載傳遞至預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁時，疊加吊車吊裝荷載，需要關(guān)注頂板的局部抗裂安全。

鑒于此，應(yīng)關(guān)注拱肋不對稱拼裝、支架拆除等階段的連續(xù)梁、拱肋及施工設(shè)施的穩(wěn)定與安全問題，通過建立有限元模型分析其受力性能，確保拼裝過程的安全。

3 拱肋拼裝施工模擬

模擬分析不對稱拼裝過程中拱肋結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的穩(wěn)定與安全。該工程施工模擬計算荷載主要為結(jié)構(gòu)自重，同時考慮施工過程中風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響[8]。

3.1 支架及拱肋分析

①整體穩(wěn)定性分析?；撅L(fēng)壓取值0.6kPa，作用于Φ426×8mm 鋼管柱風(fēng)荷載0.2556kN/m；作用于Φ325×8mm鋼管柱風(fēng)荷載0.195kN/m；作用于[16a 剪刀撐風(fēng)荷載0.096kN/m；作用于分配梁I36/I40 風(fēng)荷載0.24kN/m；作用于拱肋風(fēng)荷載1.86kN/m。支架在風(fēng)荷載作用下傾覆力矩為17329.6kN·m。

拱肋及橫撐總重6812.8kN，支架自重1212kN，力距為7.4m，抗傾覆力矩59383.52kN·m，抗傾覆安全系數(shù)為59383.52/17329.6=3.4，故結(jié)構(gòu)不會傾覆。

②整體屈曲分析。在拱肋不對稱拼裝及脫架工況下，組合風(fēng)載，計算支架體系的強(qiáng)度與剛度。“合龍+風(fēng)荷載”最不利工況下，支架及拱肋整體抗風(fēng)失穩(wěn)系數(shù)5.734；脫架最不利工況下，整體抗風(fēng)失穩(wěn)系數(shù)4.318；拼裝、脫架過程穩(wěn)定性能均較高。

③鋼管柱分析。根據(jù)有限元分析，拆除工況下支架應(yīng)力小于吊裝工況，“B5+B6 段吊裝+風(fēng)荷載”工況下，拱肋支架1 單肢鋼管最不利受力，鋼管柱最大軸力N=687.8kN，計算長度500cm，截面面積A=79.671cm2，回轉(zhuǎn)半徑i=11.211cm，長細(xì)比λ=44.6，穩(wěn)定系數(shù)Φ=0.88，則穩(wěn)定性計算值0.456＜1，故鋼管柱不會失穩(wěn)。

3.2 箱梁結(jié)構(gòu)分析

建立預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁實體分析模型。考慮吊車支腿與支架立柱橫向?qū)R施加拱肋拼裝階段的反力作用在箱梁頂板上，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁及配筋應(yīng)力云圖如圖2 所示，最大壓應(yīng)力3.14MPa，局部拉應(yīng)力約0.1MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力164.1MPa，無開裂風(fēng)險。

圖2 箱梁應(yīng)力云圖

4 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 拱肋變形監(jiān)測

每一拱肋節(jié)段的端截面拱頂、拱底各設(shè)立一個測點，全橋共計19 個拱肋高程測點布置。按測量要求，在測點處設(shè)置反射片，采用全站儀和GPS 進(jìn)行觀測，安裝最大偏差值（+16mm，-7mm），安裝線形擬合較好。

4.2 拱肋應(yīng)力監(jiān)測

拱肋應(yīng)力測點布置在一側(cè)拱腳、L/2 截面的上、下拱管，布置2 個截面，共16 個監(jiān)測點。拱腳截面內(nèi)部混凝土測點和所有截面鋼管應(yīng)力測點均為外貼式帶測溫型傳感器。主要監(jiān)測鋼管拱拱肋混凝土泵送、吊桿張拉工況下拱肋應(yīng)力，理論值與實測值最大偏差1.3MPa，主要由于理論計算是近似模擬實際施工過程所產(chǎn)生。

4.3 吊桿索力監(jiān)測

吊桿將梁體自重和梁體上部荷載傳至拱肋。在整個施工過程中，吊桿內(nèi)力不斷發(fā)生變化，內(nèi)力施工控制需在吊桿施工的各工序完成后反復(fù)進(jìn)行索力復(fù)測，與理論值比對，如偏差超出容許值則需要進(jìn)行索力調(diào)整。在吊桿張拉階段采用JMM-268 索力動測儀對吊桿內(nèi)力進(jìn)行測量。吊桿全部張拉后實測值與理論值最大偏差為5.0%，滿足10%的施工精度要求。

5 結(jié)語

雷嶺河特大橋160m 鋼管拱采用大塊段、不對稱拼裝施工方法，采用有限元軟件反復(fù)推演、分析論證方案可行性和支架安全性，并結(jié)合施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析檢驗，主要結(jié)論如下：

①鋼管拱采用大塊段、不對稱拼裝方法施工，可以節(jié)約周轉(zhuǎn)料投入，施工速度快。②經(jīng)支架整體屈曲分析可知，為滿足穩(wěn)定性要求，單側(cè)拱肋安裝時須將左右兩幅支墩連成整體，同里程側(cè)左右兩幅的首節(jié)拼裝拱肋安裝完成后應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行橫撐的連接，盡早將左右兩幅的拱肋連成整體。③由于吊車上橋，臨時荷載較大，需關(guān)注連續(xù)梁局部抗裂性能。④各工況下拱肋應(yīng)力理論值與實測值存在一定的誤差，主要由于理論計算是近似模擬實際施工過程。這些誤差主要由應(yīng)變滯后性、混凝土干縮與徐變的影響、連續(xù)梁剪力滯后效應(yīng)、溫度影響、混凝土的彈性模量等因素引起。⑤通過對支架體系合理設(shè)計及施工過程精細(xì)化模擬，輔以現(xiàn)場施工實時監(jiān)測，臨時設(shè)施安全可控。