无支架施工系杆拱桥在泰东河大桥中的应用

2021-08-15姜海波

城市道桥与防洪 2021年7期

姜海波

（江苏金堰交通工程有限公司，江苏泰州 225300）

0 引言

竖向荷载下产生水平力是拱桥最主要的特征。初期拱桥设计均依靠基础直接抵抗水平力，而在软土地基处采用该方式十分不经济，因此大跨径拱桥在南方应用较少[1]。随着系杆拱桥的提出，拱桥水平力通过专用的水平系杆来平衡，基础不再承担水平力。在软土地基采用拱桥极具竞争力，因此拱桥成了大跨度桥梁中最常用的一种桥梁形式。

系杆拱施工方法分为先梁后拱和先拱后梁两大类[2]。最常用的施工方法为先梁后拱支架法，即先在支架上完成桥面系的施工，再在桥面上搭设支架进行拱肋的施工[3]。即使在有通航要求时，如航道等级不高时，也可将满堂支架改为少支架，在河道中预留较窄的临时通航孔。当桥下航道为高等级航道时，航运繁忙，长时间的压缩航道给航运带来较大影响，同时船撞支架的风险较高。为减少对航道的影响，降低施工风险，系杆拱无支架施工技术应运而生。

系杆拱无支架施工是一种先拱后梁的施工方法。通过先架设的拱肋作为施工桥面系时的支撑，同时通过设计的永久拉索或增设的临时体外索平衡施工期间的拱脚水平推力，从而实现桥下不搭设支架的目的[4]。而在拱肋的安装时为实现施工全过程的无支架，需采取拱肋整体吊装的方式[5]。

1 工程概况

泰州市姜堰区X304（淤溪段）泰东河大桥工程起于华庄公路与S231 交叉处，向东上跨泰东河，终点接淤溪镇东南环交叉处。桥梁全长461.44 m，上部结构主桥为下承式钢管混凝土系杆拱结构，引桥为先张法预应力混凝土空心板梁，下部结构均为柱式墩。泰东河是《江苏省干线航道网规划》中规划的三级航道，规划通航净空为70 m×7 m 矩形断面。泰东河大桥主桥采用115 m 的钢管混凝土系杆拱桥一孔跨越航道水域。泰东河大桥总体布置如1 所示。

图1 泰东河大桥总体布置图（单位：cm）

主桥为预应力钢管混凝土系杆拱结构，采用刚性系梁刚性拱，计算跨径L=111.0 m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5，矢高22.2 m。拱肋采用哑铃型钢管混凝土，每个钢管外径100 cm，钢管及腹板壁厚1.4 cm，内充C50 微膨胀混凝土，沿拱轴线每隔0.5 m腹腔截面设置1 道Ф24 mm 的拉杆。系梁采用箱形断面，系梁高为200 cm，宽为120 cm，顶板厚30 cm，底板厚30 cm，系梁构造见图2 所示。吊杆间距为5.35 m，每片拱肋设吊杆19 根，吊杆采用LZM7-61成品索。中横梁高度为1.30～1.42 m，宽0.75 m（不包括牛腿）。端横梁采用箱型断面，高1.80 m～1.92 m，宽3.0 m。桥面2.0%横坡通过横梁高度的变化进行调整。风撑采用4 道K 型和3 道一字撑，由外径100 cm和70 cm 钢管焊接而成。

图2 系梁标准节段构造图（单位：mm）

桥面系为系梁与横梁组成的纵横梁体系，系梁采用分段预制吊装，每片系梁分为A～I 九个节段，标准节段长度为9.9 m，最大节段长度为15.25 m，系梁节段之间、系梁节段与拱脚之间均通过湿接缝连接形成整体。中横梁采用整体预制，通过湿接缝与系梁连接形成整体。预制桥面板简支支撑于横梁上方，不参与结构整体受力。

2 泰东河大桥施工方法的比选

泰东河大桥跨越规划的三级航道，设计院提供的施工图推荐采用先梁后拱的少支架法。针对该桥桥下通航要求高的特点，正式施工时提出了无支架施工方法，并对施工方法进行了深入的比选。

2.1 先梁后拱的少支架施工

先梁后拱的施工工艺是应用较多的方法，因其具有施工难度小，施工控制简单，对于桥下通航要求不高或无通航要求时是一种十分经济的方案。该桥原设计采用的少支架施工方案如图3 所示。

图3 少支架施工示意图

先梁后拱施工流程主要包括八个主要步骤：

（1）下部结构施工及临时支架搭设，并对支架进行预压。

（2）在支架上对称分段浇筑系梁和拱脚端横梁，同步预制中横梁。

（3）安装中横梁并张拉中横梁预应力，之后张拉部分系梁预应力。

（4）搭设桥面支架并分段吊装拱肋，焊接完成后从下而上对称泵送钢管混凝土。

（5）安装吊杆并按规定的张拉顺序进行吊杆张拉。

（6）拆除支架，安装桥面系并张拉剩余钢束。

（7）护栏、铺装等附属设置施工。

（8）吊杆索力调整至设计的成桥索力。

大跨径拱桥施工周期长，该方案的缺点是长时间压缩航道，原设计方案预留30 m 宽度的临时航道，该桥位处航运繁忙，施工期间船撞风险高。

2.2 先拱后梁的无支架施工

基于少支架施工的缺点，提出了无支架施工方案。该方案的优点是施工期间航道内不设置临时支架，仅拱肋和系梁吊装期间临时封航，对现状航道影响小，实践证明效果是较好的。

泰东河大桥无支架施工方法主要包括六个大步骤：（1）下部结构及拱脚施工；（2）钢管拱肋整体吊装（见图4）；（3）临时索安装（见图5）；（4）灌注拱肋混凝土（；（5）预制系梁安装（见图6）；（6）桥面系施工。

图4 钢管拱肋整体吊装之图示

图5 临时索安装之图示

图6 预制系梁安装之图示

每个大的施工步骤又细分成多个工序，并配合临时体外束的张拉，采用有限元计算分析的全过程施工步骤如表1 所列。

表1 无支架施工仿真分析全过程一览表

先拱后梁的无支架施工方法步骤多，施工控制难度大，施工期间临时索随着施工步骤的进行要不断调整，以保证结构各构件的线形及受力满足要求。

2.3 施工方法比选

通过上述介绍，两种施工方法技术上都是可行的，都有各自的优缺点。为了科学决策，对两种施工方法进行综合比选（见表2）。

表2 系杆拱桥施工方案比选一览表

通过上述综合比选，采用无支架施工方案虽然技术难度更大，但针对泰东河高等级航道的特殊性，无支架施工能最大限度地降低对桥下通航的影响，且对环境影响最小，通过专业的施工监控及精细化的施工管理，能保证桥梁的施工安全性。因此，大桥最终采用了该方案。

3 无支架施工方法技术难点

3.1 无支架施工原理

拱桥受力特征是在竖向荷载的作用下，拱脚位置不仅产生竖向力，还将有较大的水平推力，拱脚位置有推力作用是拱桥的主要受力特性之一。为了使拱正常工作，就必须确保拱的推力体系。

无支架施工是一种先拱后梁的施工方法。在施工过程中，通过拱肋承受拱肋自身以及桥面系的自重，随着施工的进行，荷载不断增加，拱脚水平推力同步增加。然而，在施工过程中系梁并未完成，需通过增设临时体外束平衡施工期间的拱脚水平推力。

3.2 技术难点

系杆拱桥无支架施工方法施工工序多，技术难度大，通过现场施工，总结如下几点关键技术。

3.2.1 拱肋整体吊装

拱肋整体吊装的重量为260 t，在一侧岸边拼装成整体后，通过浮船运至桥位，采用两台浮吊抬吊完成就位。该施工过程主要是控制拱脚位移，保证吊装就位时能正确安放于两端拱座上。该项目采取了临时拉索及兜吊系统的控制手段。

3.2.2 临时索平衡设计

临时索的作用是平衡施工过程中的拱脚水平力。在施工过程中竖向荷载不断增加，拱脚水平力相应增大，临时索并不能连续动态地进行张拉调整。因此，如何通过有限次的临时索张拉，实现全过程的结构受力以满足要求，是临时索平衡设计的关键。该项目设置了8 次临时索张拉，详见表1 所列。通过横向错开布置，避免系梁安装与临时索位置冲突，临时索布置如图7 所示。