中承式钢桁架系杆拱桥设计与施工关键技术研究*

张大鹏

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

国内一些学者对中承式钢桁架拱桥进行了一些研究，如蔡亮[1]、周超舟等[2]以某桥梁为研究对象，分析了该桥的结构特点和施工技术难点，总结了主桥上部结构的施工控制方法，论述了体外预应力束张拉控制过程，分析了拱座附近混凝土拱肋的裂缝成因；田仲初等[3]、孟续东[4]以广州飞燕式增城大桥为研究对象，通过方案对比确定了最优系杆张拉方法，使主桥受力最合理且稳定性满足要求；施力可[5]、刘丹等[6]以某钢桁拱梁施工为例，采用拱上起重机结合斜拉扣挂系统的半伸臂架设方法，结合施工全过程有限元分析，阐述了通过预偏预降方法实现边墩精确上墩，主拱及刚性系杆无应力快速合龙施工技术，为同类型钢梁施工提供了有力参考；荣学文[7]、常怡敏[8]以西安市蓝田霸河大桥中承式钢管混凝土系杆拱桥钢拱肋架设为例，通过对拱内混凝土浇筑、系横梁预应力张拉、吊杆张拉等关键施工过程的工艺介绍对每个施工阶段相应的技术难点进行了分析研究，并在工程建设过程中得到有效应用；骆双全[9]、窦勇芝[10]结合某中承式钢管混凝土桁架拱桥维修加固工程实例，针对某类吊杆拱桥维修加固中由于受原结构构造尺寸制约等问题，考虑采用旧吊杆两侧新增吊杆替代旧吊杆加固的思路，并介绍了新增吊杆加固关键设计要点。虽然有关文献已对中承式钢桁架拱桥进行了一定的研究分析，然而，由于本文研究对象属于大跨度钢桁架拱桥，其具有结构体系要经过多次受力转换、关键节点受力大、施工精度要求高、施工控制要求严格等难点，对其设计和施工关键技术研究很有必要。

1 工程概况及地质条件

横琴二桥是珠海市打造珠江口西岸交通枢纽城市的重点工程，是贯穿珠海全市重要的交通大动脉。横琴二桥采用的是中承式钢桁架系杆拱桥，项目位于珠海市西南部，路线北起洪湾，设置红东互通立交，红东互通匝道落地后连接南湾大道延长线。主线起点桩号K0+970(右线)，对接洪湾枢纽互通立交，并通过洪湾枢纽互通立交向北接广珠西线、向东连接港珠澳大桥珠海侧接线、向西连通洪湾—鹤洲高速公路。路线向南跨越马骝洲水道到达横琴新区，之后路线高架于在建环岛西路(F号路，环岛西路中段、南段)之上，主线由北向南分别上跨滨海大道、环岛北路、中心路、中心南路，终点位于中心南路附近处，并设置横琴互通匝道落地后通过横琴二线口岸后连接中心南路，路线全长6.806km。其中，主桥为双向6车道公路桥，起始范围为K2+089—K2+689，全长600m，主桥线路平面全部位于直线上。主桥上部结构为跨度(100+400+100)m的钢桁拱架，主桁横向中心间距36m，拱肋下弦矢高90m，拱顶处拱肋上、下弦的桁高7m，边墩处桁高11m，节间长度分别为12，14，16m。桥面采用密纵梁体系叠合混凝土桥面板的结构形式，横梁间距12～16m，次纵梁间距4m，预制混凝土桥面板厚26cm，通过剪力钉及湿接缝与横梁及次纵梁连接。桥面采用9cm厚沥青混凝土铺装，主桥600m范围内桥面连续，不设置断缝。主桥航道等级为I级航道，通行3 000t海轮；通航水位为3.102m，设计水位为3.306m；通航净空为单孔双向通航，330m×28m；运营状态桥面处最大风速25m/s，百年一遇基本风速38.4m/s。主桥立面布置如图1所示。

图1 主桥立面布置(单位：m)

拟建场地滩涂、水塘等平坦低洼地带地表土层中普遍存在10～30m厚软土层，主要为海相沉积和海陆交互相沉积淤泥、淤泥质土，该层层位极不稳定，分布不均匀，土质软，饱和，呈软塑～流塑状，灵敏度高、强度低、触变性高，含有机质，极易造成填方路堤的失稳和不均匀沉陷。

2 主要设计方案

2.1 主桥约束体系

本桥约束体系采用简支连续梁体系，小里程侧(北引桥侧)采用固定支座，其余各墩均设置单向或多向活动支座，中支座竖向承载力140 000kN，边支座竖向承载力30 000kN。横向活动支座处设置速度锁定器，在地震作用下横向约束。全桥支座布置如图2所示。

图2 全桥支座布置(单位：m)

2.2 平纵联

拱肋上弦在A6～A6′节点间设置上平联。上平联采用米字撑，除与上桥门架相连的A6节点处的撑杆采用箱形杆件外，其余杆件均采用外高560mm的工字形杆件，杆件板厚10～24mm。拱肋下弦及边跨下弦设置下平联。下平联桥面以上部分采用米字撑，除与下桥门架相连的G11节点处的撑杆采用箱形杆件外，其余杆件均采用外高560mm的工字形杆件，杆件板厚10～24mm；边跨下弦每2个节间设1个X形撑，杆件采用外高750mm的工字形杆件，杆件板厚16～28mm。

2.3 桥面系

本桥采用密纵梁体系叠合混凝土桥面板的桥面系结构形式，横梁间距12～16m，次纵梁间距4m，预制混凝土板厚26cm，通过剪力钉及湿接缝与横梁及次纵梁连接。桥面上采用9cm厚沥青混凝土铺装。主桥600m范围内桥面连续，不设置断缝。

1)钢横梁 钢横梁采用箱形和工字形2种截面形式。为了加强拱肋上、下弦与桥面系的联系，增强结构的整体性，拱肋上、下弦与桥面相交位置的E9节点横梁以及中墩对应桥面位置的E7节点横梁均采用箱形截面。为增强边跨横梁抵抗部分面外弯矩的能力，边跨及中跨的E1～E6，E8，E10～E12，E17节点横梁端部均采用箱形截面，跨中采用工字形截面。其余位置的横梁(E13～E16，E18～E23)梁端及跨中均采用工字形截面。

2)次纵梁 桥面横向按4m等间距布置9道次纵梁，纵梁高1.3m，采用工字形截面。一端采用长圆孔，在所有次纵梁安装完成之前，采用长圆孔与横梁连接，可纵向活动，以减小横梁面外内力及自身应力，在铺混凝土板前，终拧高强螺栓。

3)混凝土桥面板 桥面板采用C60部分预应力混凝土板，厚26cm，平面分块尺寸为4m×(12～16)m，每块板内布置8束2-7φ5或3-7φ5预应力钢绞线。预制混凝土桥面板铺设在纵横梁顶面，由跨中向两边逐段安装、逐段浇筑湿接缝、并张拉相应的预应力束。

2.3.1系杆

在充分发挥钢系杆承受水平推力的前提下，本桥采用刚性系杆和柔性系杆共同受力的混合系杆。刚性系杆主要指边纵梁，采用钢结构，H形截面，高2.1m、宽1.6m，板厚50mm，它与横梁相连，传递桥面荷载产生的剪力和拱脚间巨大的水平推力。除2道边纵梁外，桥面9道次纵梁也承受部分由混凝土板自重、桥面铺装及活荷载等使用荷载所产生的水平力。柔性系杆采用钢绞线系杆索，其抗拉强度比主体结构钢材的强度大很多，因而能节省钢材，达到经济的目的，此外柔性系杆力还能减小主拱纵向变形，使杆件受力更合理。另外，本桥采用混凝土桥面板，为了保证混凝土桥面板不全断面受拉，也需利用柔性系杆的拉力来平衡桥面铺装及活荷载所产生的水平推力。系杆纵向布置如图3所示，系杆锚固如图4所示。

图3 系杆纵向布置(单位：m)

图4 系杆锚固示意

本桥柔性系杆为61孔可换索式系杆，索体为镀锌钢绞线索，采用抗拉强度为1 860MPa级φ15.24钢绞线，在每侧设置4根系杆，均集中锚固在E9节点附近的纵梁内，锚固如图4所示。铺混凝土桥面板前每侧张拉10 000kN，桥面板湿接缝浇筑完成后，每侧张拉15 000kN，总索力25 000kN。

2.3.2吊杆

吊索及锚具采用标准强度为1 670MPa的镀锌平行钢丝成品吊杆系列。吊杆布置如图5所示，采用双吊杆体系，全桥共108根吊杆。D1～D6采用 PES7-109型吊杆，D7～D14采用PES7-91型吊杆，吊杆长度为6.837～59.24m。

图5 吊杆布置(单位：m)

吊杆上锚固端采用耳板式接头，吊杆的下锚固端采用带球冠垫块的冷铸锚，能有效减小次应力，锚点外露在桥面以上，不易积水，便于养护检查。吊杆在下锚固点张拉。吊杆在拱肋下弦及纵梁上的锚固构造如图6所示。

图6 吊杆及锚固构造

2.3.3桥墩及基础

1)桥墩 主墩及边墩均采用双柱式矩形截面桥墩，四角圆倒角，其中主墩截面尺寸为9m×9m，墩高均为8.5m；边墩截面尺寸为5m(顺桥向)×7m(横桥向)，墩高分别为17.5m(珠海市区侧)、18.5m(横琴岛侧)。

2)承台 主墩承台横桥向设2个承台，横向用2m×3m混凝土系梁相连，共同承受横桥向水平力。每个承台为矩形截面，四角设φ1.0m圆倒角，顺桥向长度17m，横桥向长度21.5m。承台厚度为5m，其顶部设2m×2m倒角。因承台受力较大，在其底面布置3层φ32钢筋，顶面及四周侧面均布置有构造钢筋，中间布置有架立钢筋。主桥边墩采用分离式矩形承台，四角设圆倒角。

3)基础 主墩采用2个承台，每个承台下设12根φ2.5m钻孔灌注桩，行列式布置，桩底嵌入中风化花岗岩(fak=1 500kPa)3.5m，按柱桩设计。桩基钢筋笼主筋为2根1束φ32钢筋。钻孔桩及承台采用强度等级为C45水下混凝土。边墩基础采用分离式群桩基础，每个承台下设9根φ1.8m钻孔灌注桩，行列式布置。桩底均嵌入中风化花岗岩(fak=1 500kPa)2.2m，按柱桩设计。钻孔灌注桩及承台采用C45水下混凝土，主墩基础采用钢吊箱围堰施工。

3 施工特点与难点分析

横琴二桥由于其工程地点重要、地质情况复杂、施工条件苛刻以及技术要求高等特点，在施工过程中具有以下难点：①横琴二桥毗邻澳门，属于珠海市的地标性建筑，外观质量、环保要求极高。②主墩地质复杂，存在不同深度的淤泥层、砂层，且承台范围内存在大量抛石，极难清理，主墩桩基、承台施工难度大。③在不同方面属于国内同类型桥梁之最；主桁横向中心间距36m，间距最大；单根杆件最大质量为128.3t，单吊重最重。④地处滨海地区，台风季节长，降雨总量大，且过于集中，汛期持续时间长，海水潮汐不均匀正规，潮差很大；气候对施工工期和施工安全带来的压力非常大。⑤施工水域航道为Ⅰ级航道，航运繁忙。施工作业与航运之间的矛盾十分突出，航道维护和占用问题将会对大桥施工方案的选择、工程施工进度产生重大影响。⑥技术要求高，安全质量控制难度大。横琴二桥属于大跨度钢桁架拱桥，结构体系要经过多次受力转换，关键节点受力大，施工精度要求高，施工控制要求严格；结构杆件数量多、拼装螺栓数量巨大，拼装工序复杂，施工周期长；主拱所有拼装过程均属高空作业、施工工作面狭窄，操作工序多，施工安全风险大。安全质量控制难度大。⑦有效工期短，任务极重。

4 施工关键技术分析

4.1 下部结构施工方案

4.1.1桩基础施工方案

根据主桥位处地质状况及桩长情况，北岸主墩桩基成孔拟采用大型回旋钻机，其他主引桥桩基成孔拟采用冲击钻。主要施工步骤为：桥墩处覆盖层清理→利用门式起重机搭设钻孔平台→钻孔施工。

4.1.2承台施工方案

主墩采用锁扣钢管桩围堰，边墩采用钢板桩支护。钻孔灌注桩施工完毕，打设钢管桩围堰，清淤至封底混凝土底标高并进行水下混凝土封底，待封底混凝土强度达到要求后，抽水并进行围堰内支撑，绑扎承台钢筋及安装冷却水管，安装承台模板，承台混凝土浇筑、养护等。陆上钢板桩打设完成后，向下开挖到设计的支撑位置后，进行围堰内支撑作业，再继续向下开挖至封底混凝土底，注意预留集水井，绑扎承台钢筋及安装冷却水管，安装承台模板，承台混凝土浇筑、养护。

4.1.3墩身施工方案

墩身施工的施工工艺主要为：施工放样和监测→墩身底部承台面凿毛→墩身钢管支架搭设→墩身钢筋加工和绑扎→墩身模板加工及安装→墩身混凝土浇筑→养护及拆模。

4.1.4门式墩主要施工方案

根据地质情况和门式墩荷载情况，确定基础采用Q235φ600×10钢管桩基础，桩长40m，为使桩能承受较大的锤击应力，在管接口外侧加焊1条宽200～300mm、厚6～12mm的加强箍，防止桩端变形损坏。支架采用φ600×10钢管，钢管每段标准段为6m，平面布置为横、纵桥向3m，每根立柱上设2道I40b横梁，横梁上设置3组贝雷片作为纵梁，每组贝雷片由2排贝雷片组成。采用90cm花架连接。贝雷片上设置I20，间距为30cm。I20上面设置碗扣式满堂支架，其外径为48mm，壁厚3mm，支架间距为30cm×60cm，步高60cm。

4.2 主桥上部结构施工方案

4.2.1桁拱安装方案

杆件运输与安装如图7所示，1～3号节间采用跨墩门式起重机拼装，其他节间采用拱上全回转自行式架梁吊机拼装。

图7 杆件运输与安装示意

4.2.2钢构件制作、预拼、存放

在厂家内完成钢构件的加工、制作、预拼、涂装，施工现场进行杆件的存放和补涂装。

4.2.3安装步骤

主桥上部结构的施工主要有11个步骤，其中安装步骤1～10的详细施工如图8所示。各步骤为：①步骤1 边跨在1，2，4号节点处设置3个临时墩，跨墩门式起重机作业范围为1～3号节间。②步骤2 2号节间利用跨墩门式起重机安装，待2号节间安装完毕后，在其上安装架梁吊机。③步骤3 利用架梁吊机安装3，4号节间。④步骤4 分为3部分，即架梁吊机从2号节间爬行至4号节间，安装5号节间，利用跨墩门式起重机安装1号节间，进行主桥端部钢筋混凝土门式墩施工。⑤步骤5 分为3部分，即架梁吊机行至5号节间，安装6号节间，架梁吊机行至6号节间，安装主墩支座、位移，调整装置及7号节间。⑥步骤6 桥面吊机安装1～7号节间桥面板。⑦步骤7 分为3部分，即依次悬拼8～16号节间，9～16号节间安装期间完成扣塔安装，在16号节间安装1号背索。⑧步骤8 依次悬拼17～20号节间，安装2号背索。⑨步骤9 北岸安装至第23号节间且南岸安装至第22号节间后按拟定方案进行合龙。主要合龙措施为：升降边支点，调整合龙口相对高差和转角，利用温度变化及顶拉千斤顶依次安装合龙口下弦杆、斜杆、上弦杆和上下平联，完成主拱合龙。⑩步骤10 安装桥面纵、横梁及中跨桥面板，桥面合龙前安装柔性系杆并初步张拉。步骤11 桥面合龙，根据监控检测数据调整柔性系杆索力，完成桥面系施工。

图8 安装步骤

5 有限元分析

采用有限元软件MIDAS/Civil对施工过程中的应力进行了建模分析。中跨16号节间施工时主拱肋最大拉应力云图如图9a所示，由图可知，最大拉应力发生在跨中与墩台二者之间的中部上侧，最大拉应力为213.2MPa。吊杆及桥面系施工时主拱肋最大压应力云图如图9b所示，由图可知，最大压应力发生在距离跨中第7根吊杆位置的下侧，最大压应力为238.5MPa。上述最大拉、压应力位置应在施工中给予监测和重点关注。

图9 主拱肋最大应力云图

6 结语

本文以珠海横琴二桥的结构设计为研究背景，结合实际工程的施工特点与技术难点，对中承式钢桁架系杆拱桥的施工关键技术进行了深入分析，确保了工程的施工质量及安全，为同类中承式钢桁架系杆拱桥工程设计与施工提供了参考。