大跨度连续刚构拱桥拱肋安装方案研究

高庚元

（中国水利水电第八工程局有限公司 湖南省长沙市 410111）

1 项目概况

新建武汉至十堰铁路为时速350km/h的高速铁路，在湖北省安陆市跨越府河。为了满足后期府河Ⅵ航道的通航规划，设计采用大跨度桥梁跨越河道。跨越安陆府河主河道的主桥采用（90+200+90）m连续刚构拱桥，全长381.5m（含两侧梁端至边支座中心线各0.75m）。主桥采用刚性梁，柔性拱结构。主梁为单箱双室直腹板变高度截面。钢管拱为平行拱双管结构，拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，截面高度3.3米，单肢拱肋管径1.2m，两榀拱肋之间中心距11.9m，拱肋跨度200m，矢高40m。两榀拱肋之间共设11道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由4根直径φ500×14mm的钢管组成。钢拱肋的重量约为770t。

2 拱肋施工方案比选

根据设计文件的要求，本桥施工采用先梁后拱的施工方案，即主梁悬臂施工工完成后再安装拱肋结构，张拉吊杆。由于主梁悬臂浇筑为常规的施工方案，对其不做深入的研究，但是拱肋施工根据其结构形式及现场施工条件拟定了两种施工方案。

2.1 拱肋竖转方案

拱肋竖转为比较成熟的施工方案，在宜万铁路宜昌长江大桥及广珠铁路西江特大桥均是采用主梁合龙后再梁上竖转拱肋的施工方法。因此本桥首先考虑的施工方案为梁上竖转方案，方案布置如图1所示。在主梁施工完成后安装拱肋卧拼支架，及竖转塔架。施工时，先竖转一侧拱肋到位，再施工另一侧，最后安装合龙段完成拱肋的安装。

图1 拱肋竖转支架施工布置

2.2 原位拼装与大节段提升协作方案

拱肋划分为三段进行施工，其跨度为45.66m+1.6m（合段）+107.08m+1.6m（合拢段）+45.66m，两边跨采取原位拼装施工方法，中跨采取整节段提升吊装施工方法。如图2所示。主要施工步骤是：①完成拼装支架施工，采用汽车吊分节段原位吊装两边跨拱肋，如图3所示。②采用汽车吊吊装中跨拱肋，将中跨拱肋拼装成整体；同时采用塔吊拼装吊架，如图4所示。③采用连续千斤顶整体提升中跨拱肋至设计位置，焊接合拢，拆除吊架及拱肋支架，如图5所示。

2.3 方案比较

针对与竖转施工与原位拼装与大节段提升协作方案从大临结构设施工程量、施工周期对比、施工条件等三个方面进行对比。

2.3.1 大临结构设施工程量

图2 拱肋提升支架施工布置

图3 拱肋提升支架施工步骤一布置

图4 拱肋提升支架施工步骤二布置

图5 拱肋提升支架施工步骤三布置

表1

从表1中得提升支架法施工大临结构工程量较省。

2.3.2 施工周期对比

从表2～3中得提升支架法施工周期时间较短。

2.3.3 施工条件对比

由于条件限制竖转塔架锚固在地面上，但一侧锚固位置地下沙土层较厚，需要大面积开挖后才能施工拉索的锚固结构，这样既破坏了耕种土体也要在后期耗费财力物力去移除锚体；另一侧处于府河河道内，锚固结构施工是在河道内开挖。根据工期计划拱肋安装在府河的汛期，根据相关部门规定汛期内不得占用河道施工，同时也给竖转作业造成很大风险。另外，若将竖转拉索锚固在主桥边墩主梁隔墙位置，在竖转施工过程中，拉索在边跨隔墙位置要产生3500kN的拉力，其中竖向拉力为2200kN。主梁边跨在全桥合龙后，拱肋竖转时仅有2440kN的竖向压力，因此在施工过程中可能会使得边墩支座出现拉力。这样就需要在边墩与主梁边隔墙中埋置竖向精轧螺纹钢筋以克服拱肋竖转过程中产生的竖向拉力。这些精轧螺纹钢筋需要预先锚固在边墩内，并要露出墩顶一定长度，保证在主梁施工时有接长的空间。且不说给主梁边跨直线段施工以及后其拆除带来的麻烦，主要的问题在于，露出的钢筋头占用了架桥机架设简支梁时支腿的位置，这样给箱梁架设造成阻碍。而且拱肋竖转施工难度较大，控制精度要求高，需找专业施工作业队伍进行施工；而拱肋提升支架法施工提升高度低，所有支架及锚固在主跨内部不占用其他位置，其控制难度较小。

表2 竖转施工方案施工周期表

表3 原位拼装与大节段提升协作方案施工周期表

在对材料投、施工周期以及施工条件进行对比分析后确定采用采用原位拼装与大节段提升协作方案。

3 拱肋提升方案的相关计算

根据拱肋的施工方式，需要根据施工荷载对主梁结构进行结构受力计算，以保证主梁在拱肋施工过程中的安全性。

3.1 拱肋支架反力

拱肋施工均在梁面进行施工作业，故需对主梁进行结构受力检算，其荷载为拼装支架及吊架的反力。

工况一：拱肋整节段拼装完毕且张拉后施工工况。

图6 拱肋吊装荷载图示

工况二：拱肋整节段提升施工工况。

图7 拱肋提升荷载图示

3.2 主体结构计算

在主梁合龙后要进行拱肋的安装施工，拱肋安装及提升两个工况的荷载如图6～7所示。拱肋安装施工所用汽车吊根据吊装的需要选用80t及，汽车吊总重为50t，跨中吊装约为15t，考虑配重后，总重量按70t计。吊车作业是在顺桥向支腿的间距为6.2m，支腿上作用的荷载分别是35t和35t。主体结构的计算模型如图8所示。

按照容许应力法对全桥的施工过程和运营状态进行检算，计算采用以下假定：

（1）计算采用平面杆系单元进行，纵向计算主梁按全截面受力考虑，不计剪力滞效应的影响；

（2）预应力构件不考虑普通钢筋参与抗弯受力；

（3）钢管混凝土单元具体划分为钢管单元和管内混凝土单元，二者变形协调；

（4）双吊杆简化为单根吊杆单元；

（5）在结构各构件相交而形心不在同一点，均设置刚臂；

（6）不考虑桥面附属结构参与主体结构受力；

（7）拱肋安装完成后吊杆索力张拉及运营阶段的活载及其他荷载均按设计文件采用。

结构计算模型如下：

图8 主桥结构计算模型

如图9～10，在施工阶段主梁上缘最大压应力为16.3MPa，位置在0#节段靠近边跨位置。下缘最大压应力为15.42MPa，位置在边跨3/4跨位置。下缘最大拉应力为0.90MPa，位置在中跨跨中。根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》第6.4.4条规定，主梁的压应力小于0.75fc=0.75×40=28MPa，主梁拉应力小于 0.7fct=0.7×3.5=2.45MPa。因此，结构在施工阶段应力满足要求。

图9 主梁施工阶段上缘应力包络图（MPa）

图10 主梁施工阶段下缘应力包络图（MPa）

如图11～12，在运营阶段主梁上缘最大压应力为18.68MPa，位置在主跨跨中附近。下缘最大压应力为14.2MPa，位置在边跨3/4跨位置。无拉应力。根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》第6.3.10条规定，主梁的压应力小于0.55fc=0.55×40=22MPa。因此，结构在运营阶段应力满足要求。

图11 主梁施工阶段上缘应力包络图（MPa）

图12 主梁施工阶段下缘应力包络图（MPa）

4 结束语

采用原位拼装与大节段提升协作方案，主梁在施工过程中和运营阶段主梁纵向应力均满足规范要求。在横向上通过设置预埋支点拱肋安装临时钢管通过分配梁，传递到主梁两侧腹板上，保证了箱梁顶板在集中荷载作用下结构的安全性。因此，在保证主体结构安装全性的前提下，在考虑经济、合理及施工条件的的因素项目部采用拱肋提升支架施工方案，保证优质、安全、高效的完成主拱的施工任务。本桥的施工方案研究可为后期类似桥梁的施工提供有益的参考。