西江特大桥连续刚构—柔性拱拱肋竖转设计与施工

尹紫红，董启军，卢演慧

(1.西南交通大学峨眉校区，四川峨眉山 614202;2.中铁二十二局哈铁建设集团公司，黑龙江哈尔滨 150006)

1 连续刚构—柔性拱组合桥钢管拱简介

广珠铁路西江特大桥位于广东省鹤山市古劳镇与佛山市九江镇交界处，是跨越西江的一座结构新颖的桥梁工程，桥梁全长为7 024 m。主桥采用110 m+230 m+230 m+110 m连续刚构—柔性拱组合桥。钢管拱计算跨度230 m，矢跨比1/5，矢高44.0 m，拱轴线立面投影为二次抛物线，主拱肋轴线方程为y=－x2/275+0.8x。

主拱拱肋为平行桁架式钢管混凝土组合结构，每片拱肋由4-φ750 mm钢管混凝土组成，由横向平联板、竖向腹杆连接成为钢管混凝土桁架，拱肋钢管采用Q345qD钢材，［σw］=210 MPa，全桥钢管拱拱肋总重32 000 kN。

2 钢管拱竖转总体施工设计思路

按照设计拱肋位置把单孔拱肋分为高位拱和低位拱，低位拱以铰轴为中心向下旋转21°到接近梁面位置，高位拱同样以铰轴为中心向下旋转16.2°到接近低位拱顶位置，这样拱肋高度由46.219 m降低到20.702 m。这时就可以采用支架法拼装拱肋，把这个状态确定为钢管拱拱肋的初始状态，然后建立竖转体系。最后将钢管拱竖向转体到设计位置、安装合龙段，完成整孔钢管拱安装施工。

竖转时，每跨竖转过程中后背索采用4束21×φ15.24钢绞线和2束14×φ15.24钢绞线，扣索1采用4束21×φ15.24钢绞线，扣索2采用2束14×φ15.24钢绞线，压塔索采用2束9×φ15.24钢绞线。拱肋竖转立面如图1所示。

竖转时，先进行141#—142#墩(左跨)两个半拱的竖转及合龙，如图1(a)，图1(b)所示;再进行142#—143#墩之间(右跨)两个半拱的竖转及合龙，如图1(c)，图1(d)所示。

图1 西江特大桥拱肋竖转流程(单位:m)

3 建立钢管拱竖转体系

3.1 拱肋布置

拱肋按照初始状态布置(具体参见图2)。

图2 拱肋初始状态及索的编号(单位:m)

竖转铰轴是关键部位，要有足够的强度，拱肋竖转时才会有足够的稳定性。竖转铰轴为直径1 000 mm、板厚36 mm、长度2 450 mm的滚轴，竖转前灌注混凝土。

3.2 索塔

索塔由预埋件、底节、标准节、过渡节、联系桁架、塔顶、提升大梁组成。塔架的结构安全稳定性必须保证，西江特大桥钢管拱竖转索塔采用2 000 t塔吊标准节作为桁架，其单节尺寸为4.2 m(纵桥向)×4.2 m(横桥向)×6 m(高)，立柱采用400 mm×400 mm×16 mm的方钢管。

索塔底节与刚构梁拱脚固结，索塔塔顶设提升大梁，一侧连接刚构梁端的后锚点，另一侧连接拱肋上的扣锚点，竖转时形成铰支撑和扣点索支撑曲线梁结构。拱肋竖转初始状态后锚索与钢构梁面成30°夹角，高位拱后扣索水平夹角44.6°，前扣索水平夹角23.5°;低位拱后扣索水平夹角 45.8°，前扣索水平夹角26.8°，塔架高度 62 m。

3.3 拉索

拉索分为扣索与背索，拉索采用高强度低松弛预应力钢绞线，钢绞线公称直径为15.24 mm，抗拉强度为1 860 N/mm，破断拉力为260.7 kN，伸长率在1%时的最小载荷为221.5 kN。

扣索分为前扣索1和后扣索2，本着受力合理并且保证足够的强度，前扣索四束(上下游各两束)设在接近半拱拱肋的前1/4处，后扣索两束(上下游各一束)设在接近半拱拱肋后1/3处。扣索点均布置于拱肋直腹杆及斜腹杆与主弦管的共同节点处并且进行局部补强。扣索点由反力梁、锚座和转向架组成。

3.3.1 竖转体系拉索力的确定

竖转施工时拉索的索力在拱肋脱架时最大，此时拱肋要从多跨度连续曲线梁转变为铰支撑和扣点处索支撑的曲线梁。此过程中拱肋将完成自身的变形与受力的转化。按照此状态模拟建立模型计算各个拉索的索力。

计算程序为SAP 2000(14.1)，支座条件为铰接，按照竖转体系初始状态建模。

荷载:竖转施工时，要求风力不大于5级否则不竖转，模拟计算荷载按照7级风下一侧拱肋转体初始状态考虑，扣索与后背索同时张拉，调节塔顶平衡。

索的编号见图2，索力计算结果见表1。

表1 提升侧索力统计 kN

3.3.2 拉索钢绞线配置

由表1，扣索1最大拉力1 907 kN，扣索2最大拉力1 124 kN，背索最大拉力2 027 kN。前扣索1设计21根钢绞线，安全系数2.7;扣索2设计为14根钢绞线，安全系数3.2;压塔索设计为5根钢绞线，安全系数7.8。

3.4 牵引系统

牵引系统由油缸、液压泵站和控制系统组成。

油缸布置。按表1，扣索1最大拉力1 907 kN，该处布置350 t油缸;扣索2最大拉力1 124 kN，布置200 t油缸;后背索1最大拉力2 027 kN，布置350 t油缸;后背索2最大拉力1 409 kN，布置200 t油缸;压塔索拉力225 kN，布置100 t油缸。全桥总共布置24台350 t油缸，12台200 t油缸，8台100 t油缸。

液压泵站，每副索塔单边布置1台80 L/min流量的液压泵站，全桥总共布置9台液压泵站(每个塔索上备用1台)。采用间歇式的作业方式，拱肋转体速度可达5～6 m/h。

控制系统采用计算机控制液压同步提升技术，利用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升原理。

3.5 后锚的设计

后锚结构是竖转体系中重要的一部分，后锚点必须牢固。后锚点设计位置选择在边跨梁面上，在刚构梁浇筑混凝土时埋入预埋件，后锚与预埋件焊接，并且与预埋的4根精轧螺纹钢张拉锚固牢靠。同时为了抵消刚构梁受上拉力，在墩柱中预埋四束钢绞线并在竖转时临时把边梁与墩柱固结为一体。竖转完成后，解除约束。

4 拱肋竖转施工

4.1 西江特大桥钢管拱竖转施工

竖转体系建立完成，具备竖转条件。先进行142#—143#墩一孔两个半拱竖转并合龙，边塔半跨提升设备布置于边索塔塔顶上，背索锚固于144#墩顶;中塔半跨提升设备布置于中索塔塔顶，背索锚固于中索塔另一侧半跨拱肋。142#—143#墩一孔两半拱竖转合龙后进行141#—142#墩一孔两个半拱竖转，边塔半跨提升设备布置于边索塔塔上，背索锚固于140#墩顶;中塔半跨提升设备布置于中索塔塔顶，背索锚固于中塔另一侧已合龙的半跨拱肋上(利用第一孔转体的扣点)。

4.2 竖转过程中钢管拱控制点(表2)

竖转时，每个半拱上布置6个观测点，上下游各3个，主要位置布置于拱肋前端及前、后扣索点位置的内侧主弦管轴线上。

4.3 西江特大桥竖转合龙精度(见表3)

表2 低位钢管拱控制点理论控制数据

表3 西江特大桥钢管拱竖转合龙精度 mm

5 结语

我国钢管混凝土拱桥最常见的架设方法是斜拉悬臂法。对于拱梁组合桥先梁后拱法施工来说，一般采用支架法，但随着跨度的增大矢高增高，受结构自身限制而不能采用支架法，这时就可以尝试采用转体法中的上提式竖向转体来完成。本文结合西江特大桥连续刚构梁—柔性拱组合桥的施工，介绍钢管拱竖转采取柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升技术。西江特大桥钢管拱竖转施工的成功，为大跨径拱桥转体施工积累了一定的经验。

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