大跨度连续组合拱桥整体顶推施工临时撑杆方案设计

陈 诚

（上海工程勘察设计有限公司，上海 200042）

1 概述

某跨江大桥主航道桥为组合梁－钢拱组合体系拱桥，主梁连续，三跨拱肋支承于V墩上，跨径组合为（188＋22＋188＋22＋188）m，桥宽 37.7 m（见图1）。钢拱系统由主拱、副拱、主副拱之间的横向连杆，以及拱顶横撑等构件组成，材质为Q345qD。主拱跨径188 m，外倾12°，立面矢高43.784 m。副拱轴线为空间曲线，立面矢高33 m。主副拱之间的横向连杆采用圆钢管，间距8.5 m。拱桥主梁为组合梁，由钢梁和混凝土桥面板组成，钢梁材质为Q345qD和Q345C，为主纵梁、中横梁、端横梁、小纵梁组成的双主梁梁格体系，两侧主纵梁间距27.6 m，中横梁间距4.25 m，混凝土桥面板厚26 cm。主纵梁内部设系杆索。拱桥吊杆间距8.5 m，吊杆上端锚固于主拱，下端锚固于主纵梁。

图1 主航道桥效果图

2 顶推施工总体方案（见图2）

根据桥梁方案特点及建桥条件，该桥采用钢拱、钢梁在岸上先期组拼为一体，利用顶推设备进行整体顶推的施工方法。该施工方法具有施工工期短、对通航影响少、施工临时设备较少、总体经济性好、加工质量容易得到保证、适应性强的特点。

主要施工流程如下：钢拱、钢梁，以及连接钢拱、钢梁的临时撑杆在岸上先期组拼为梁拱组合体系，在梁拱组合体系端部安装顶推导梁，利用在各个桥墩墩顶上设置的顶推设备进行多点同步整体顶推施工。顶推到位后，拆除临时杆件，分批张拉吊杆，进行桥面板施工。

整体顶推利用了主桥永久墩PN2、PN1、PS1、PS2和北侧引桥永久墩PN3～PN5，在这些桥墩墩顶上设置了顶推设备；引桥永久墩PN6上未设置顶推设备，不作为顶推支墩；PN6以北设置有三个岸上临时墩PD1、PD2和PD3，岸上临时墩上也设有顶推设备。为了减小顶推跨径，在每个主桥永久墩中间设置一个水中临时墩（分别为PLN1、PL0、PLS1），其上安装顶推设备，顶推最大跨径可减小为94 m。

梁拱组合体系的拼装在岸上临时墩上搭设的顶推平台上完成。组拼成梁拱组合体系之后利用顶推设备进行多点整体顶推，途经各永久墩和临时墩，最终到达主桥桥位，完成顶推施工。

3 临时撑杆设置的必要性

顶推施工时，桥面板尚未铺设，主纵梁内部的系杆索，以及拱、梁之间的吊杆均未安装，钢拱和钢梁形成了一个梁拱组合体系。钢拱、钢梁形成的组合体系在整体顶推施工过程中，边界支撑条件不断发生变化，其受力状态与成桥运营阶段有较大的区别。其中，部分顶推状态的结构受力较为不利，有些顶推状态甚至非常不利，如94 m的大悬臂状态（见图3）。

要保证任意顶推施工状态的结构受力满足规范要求，不考虑施工临时措施是不经济、不现实的。以94 m的悬臂状态为例，试算表明，在不采取临时措施的前提下，即使主纵梁高度从4 m增加到5 m，顶、底板板厚均增大到50 mm，主梁应力仍高达406 MPa，不能满足规范要求。

图2 顶推施工立面示意图（单位：m）

图3 大悬臂状态（无临时撑杆）主梁应力图

可见，被动增大主体结构截面是不可取的，应尝试采用高效率、低代价的临时措施。根据该桥的特点，设计考虑在钢梁、钢拱之间设置多个临时撑杆，通过临时撑杆的设置改变整个梁拱组合体系的受力形态，从而有效地改善主体结构的受力性能，使梁拱组合体系整体顶推施工成为可能。

尽管临时撑杆的设置会少量增加用钢量，但却避免了主体结构因为顶推施工而额外增加大量钢材，总体上保证了梁拱组合体系整体顶推施工的经济性。

4 临时撑杆设置方案研究

为了使梁拱组合体系的受力在合理的范围之内，钢拱、钢梁之间需设置多个临时撑杆。临时撑杆的设置使得拱桥在顶推过程中具有了桁架桥的特点，改善了顶推过程中的受力性能。临时撑杆的布置方式对钢梁、钢拱的受力影响较大。选择合适的临时撑杆形式，可以在钢梁、钢拱受力合理的情况下节省永久结构和临时杆件用钢量。

设计中针对4种临时撑杆布置方式进行了分析比选，如图4所示。

顶推过程中钢拱受力较小，不控制设计，故四种方案均采用相同的主拱断面；顶推过程中钢梁受力较大，为了将钢梁的应力控制在合理的水平，根据其受力情况的差异，四种方案的主纵梁采用了不同的板厚。四种方案主纵梁、临时撑杆的应力计算结果和用钢量对比见表1。

图4 临时撑杆布置方式比选（仅示一个拱跨）示意图

从表1可见，在主纵梁应力水平和临时撑杆应力水平相当的前提下，方案1虽然比方案3的临时撑杆用钢量少，但主纵梁用钢量多了941 t。综合考虑主体结构和临时撑杆用钢量两个方面，方案3优于方案1；方案3不论是主纵梁用钢量还是临时撑杆用钢量都比方案2少，方案3也优于方案2；方案4比方案3的主纵梁用钢量少96 t，但临时撑杆用钢量增加了281 t。综合考虑主体结构和临时撑杆用钢量两个方面，方案3略优于方案4。

根据分析结果，方案3优于其他布置方案。进一步的，在方案3的基础上，考虑在靠近拱脚处再增设一根较小的临时撑杆，可以使主梁受力进一步改善，由于增设的撑杆长度较小，撑杆的用钢量没有明显增加。临时撑杆的最终布置方案见图2所见。根据设置位置的不同，临时撑杆可分为A型、B型、C型三类。

表1 四种临时撑杆布置方案比较表

5 临时撑杆与主体结构连接节点设计

5.1 节点基本构造

顶推过程中，临时撑杆既可能承受拉力也可能承受压力，以承压为主。从梁拱组合体系开始顶推到顶推到位，A型、B型、C型临时撑杆的最大轴压力分别达到 12 745 kN、6 754 kN、3 283 kN，最大轴拉力为4 593 kN、5 328 kN、1 388 kN。临时撑杆对保证顶推过程的安全起着至关重要的作用，除了保证临时撑杆本身的强度和稳定性能外，还必须保证其在钢梁、钢拱上的节点构造安全可靠。

为了方便顶推结束后的拆除工作，临时撑杆与钢拱、钢梁之间采用销铰式连接构造，即在主纵梁、主拱上设置耳板，临时撑杆通过穿过耳板的销轴与主纵梁、主拱进行连接，顶推结束后，拆除临时撑杆，并将主纵梁、主拱上的耳板予以割除。

由于梁拱组合体系在顶推过程中可能受到横向风的作用，从避免临时撑杆节点在风载作用下产生横向弯矩的角度来看，销轴以横桥向自由转动为宜；但是，梁拱组合体系在恒载作用下以纵向受力为主，且纵向变形随着支撑体系的变化不断改变，从这个角度来说，采用顺桥向可以自由转动的销铰式连接构造，能够减少顶推过程中梁拱组合体系纵向变形引起的附加弯矩。

考虑到恒载是顶推过程中无法回避、一直存在的，而风荷载可以通过施工控制进行规避，或者通过辅助控制措施减小其影响。因此，临时撑杆与主纵梁、主拱之间采用顺桥向可自由转动的销铰式节点构造（见图5）。

5.2 节点局部应力分析

图5 临时撑杆节点构造

采用通用有限元程序，建立临时撑杆节点空间模型，进行局部应力分析。本节以A型临时撑杆与主梁相交节点为例，阐述节点局部分析要点和主要结论。A型临时撑杆节点的有限元模型如图6所示。

建模时纵向选取临时撑杆节点两侧各6.375m范围的主纵梁，横向选取一半的横梁。主纵梁一端固定，一端用于加载。横梁约束其跨中断面在横桥向的位移。主纵梁加载端的内力根据顶推施工过程总体受力分析得到。计算主要考虑了A型临时撑杆轴压力最大、轴拉力最大和横向弯矩最大三种工况。

图6 A型临时撑杆梁上节点有限元分析模型

A型临时撑杆梁上节点分析表明，在最不利工况，耳板与主纵梁顶板相交处最大应力集中值为214 MPa，大部分区域的应力均在160 MPa以内；主纵梁顶板应力均小于160 MPa；主纵梁横隔板最大应力集中值为266 MPa，大部分应力均在200 MPa以内。

6 结语

梁拱组合体系整体顶推施工是一种新型的组合体系拱桥施工方法。为了保证梁拱组合体系在顶推施工过程中的受力满足规范要求，可以采用在钢拱、钢梁之间设置临时撑杆的施工临时措施。设计时对临时撑杆的布置方式进行了分析研究，并根据研究成果进行了临时撑杆的方案设计。临时撑杆的合理设置显著改善了顶推过程中主体结构的受力性能，确保了顶推施工的顺利进行。

[1]邵长宇.大跨连续组合箱梁桥的概念设计[J].桥梁建设，2008，(1).

[2]Gerhard Hanswille.Composite Bridges Recently Built in Germany.Composite Bridges[C].Proceedings of the 3rd International Meeting.Madrid.2001.