下承式拱梁组合系杆拱桥施工期先拱后梁工艺转换

王继林 郝曙光 杜高明

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

一、工程概述

跨越规划III级航道主桥为115m下承式拱梁组合系杆拱桥，桥梁设计活载：公路-Ⅱ级。桥面宽度布置0.5m（护栏）+11m（车行道）+0.5m（护栏）。系杆拱桥计算跨径L=111m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1／5，矢高22.2m，采用2片哑铃型钢管混凝土拱肋。每个钢管外径1m，钢管和腹腔钢板壁厚均为14mm，内充C50微膨胀混凝土。2片系梁采用预应力混凝土箱形断面，系梁高2m，宽1.2m。吊杆间距为5.35m，每片拱肋设置吊杆19根。中横梁高度为1.3cm～1.42cm，宽度0.75m。端横梁采用箱形端面，高度1.8m～1.92m，宽度3m。横梁间铺设长度4.58m厚度0.35m的预制空心桥面板。主桥6#和7#桥墩墩身为柱式截面墩，墩上设GPZ17.5(2009)±150mm盆式支座(1个固定支座+3个滑动支座)，墩单侧基础用4根钻孔灌注桩的群桩基础，桩径1.50m，承台高2.50m，承台平面尺寸6.25m×6.25m。下部基础场地为里下河地貌平原，地势平坦，地层分布较稳定，无崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用和地质灾害，无地震液化等地震效应。场地地基土以成层分布的黏性土、粉土为主。

原设计采用常规的少支架先梁后拱工艺安装。先搭设拱脚支架，现场浇筑拱脚、端横梁。为尽量减少对航道交通影响，系梁（单片分3段）、中横梁、桥面板、钢管拱肋主要构件均在岸侧预制和焊接后安装。施工图设计于2018年2月完成。2019年9月施工期间，航道少支架时短期内出现两次航道内支架夜间被船撞击事故。为此建设单位要求对施工方案进行变更，减少施工与航道通行矛盾，要求必须利用已经预制的系梁、中横梁，为此开展了先拱后梁无支架架设方案的调研工作。

二、先拱后梁工艺调研

对国内下承式系杆拱先拱后梁架设方法进行相关调研。下承式系杆拱成桥多是设置支座的外部静定无推力结构，但是施工过程中因施工工艺不同会承受一定推力。根据先拱后梁架设工艺调研，当前主要有以下几类形式。

漂浮式刚架系杆拱。下承式刚架系杆拱为无支座超静定结构，桥梁拱肋、桥墩和基础为永久刚性固结，横梁上设置柔性系杆，系杆与拱脚铰接，如江苏锡宜高速公路跨京杭运河系杆拱桥。桥梁运营和施工期间，桥墩和基础承受较大水平推力，一般基础和桥墩刚度较大，桩基数量也较多。

拱梁组合体系+现浇整体式箱梁。设置支座的下承式拱梁组合体系，拱肋采用内灌混凝土钢管拱，箱梁为整体式现浇预应力混凝土结构，如京沪高速铁路跨青阳港和锡澄运河系杆拱等先拱后梁施工。该类工艺设计是需要设置刚度较大桥墩及群桩基础。施工中将拱脚与桥墩固结，利用水平系杆平衡后期主要水平恒载推力，利用桥墩强大抗推能力辅助平衡系杆与拱脚推力差。施工完成后解除拱脚与桥墩固结，实现拱脚自由滑移。

拱梁组合体系+纵横梁拼装。平原区公路、市政桥梁下承式系杆拱桥常采用钢管混凝土拱肋+纵梁+横梁拼装的拱梁组合结构，以便快速立交跨越公路和水运基础设施。拱脚设置盆式支座，外部为静定结构。如嘉金高速公路吴淞江大桥85m主桥跨越吴淞江时采用下承式钢管混凝土系杆拱梁组合桥系杆拱桥。该类桥型施工中一般不固结拱脚与桥墩，在桥墩设置限位块限制滑移，施工中系杆与拱肋水平力平衡。但空钢管安装阶段拱肋水平位移较大，一般会安装钢管拱临时固结拱脚和桥墩，桥墩承担空钢管水平推力，如主跨103m温州龙港系杆拱。先拱后梁工艺设计时桥墩和基础水平刚度需根据施工工艺进行专项设计，既满足桥墩施工中一定水平力承载要求，又避免过度增加桥墩造价。

三、先拱后梁变更方案设计

本文提供两种架设方案比选，即方案一钢拱架直接安装法和方案二增设拱肋支架法。如桥墩水平承载力储备不足，按照方案二“不固结不扰动拱脚”原则合拢拱肋，即增设拱肋支架抵抗钢拱架架设时的临时推力，对接焊接后张拉体外索消除拱肋支架推力，拆除拱肋支架，再进行其余阶段施工。

（一）钢拱架直接安装法

对该桥下部结构抗推刚度和承载力评估表明：空钢管拱肋安装时，桥墩水平承载能力基本可满足推力需求。空钢管拱肋安装阶段理论上可临时固结拱脚和桥墩，通过无应力控制（不安装临时拉索）确保钢拱架与拱脚钢管合拢焊接。在桥墩和拱脚临时固结后直接安装钢拱架，通过张拉体外索卸载桥墩水平力，释放后拆除拱墩临时固结。钢拱架安装后，通过体外索不断张拉调整拱脚位移，完成系梁、横梁、桥面板安装。以拱脚滑移最小化为原则，施工过程中拱脚滑移范围控制在±50mm内，设置相应限位块，调整各阶段张拉索力。主要施工步骤如图1所示。

图1 方案一主要施工阶段工艺图

按46个施工阶段模拟计算分析，拱肋安装阶段拱墩固结，其余阶段拱墩按自由滑移模拟。施工过程中拱脚滑移小于±50mm限位，未接触桥墩限位块。短暂状态下主要构件混凝土最大主拉应力约3.0MPa，抗裂性基本满足要求，局部应力集中区域现场黏钢防护，如图2所示。

图2 方案一滑移与局部应力分析数据

（二）增设拱肋支架法

由于原设计未考虑先拱后梁工艺，桥墩水平刚度较弱，保守采用“不固结不扰动拱脚”原则合拢焊接拱肋，施工中不固结桥墩、拱脚。在拱脚河侧增设拱肋支架，临时承担钢拱架的水平推力。钢拱架安装拱肋上层临时索，调整拱肋线形与拱脚钢管对拼焊接。拱肋焊接后调整体外索索力，拆除拱肋支架。为减小施工中拱脚位移，对各阶段增加荷载和张拉参数进行细化，设置限位挡块，将最大滑移控制在±50mm内。

分35个施工阶段计算模拟分析，拱脚与桥墩自由滑移模拟如图3所示。上述施工过程中拱脚滑移小于50mm限位，未接触桥墩限位块。短暂状态下主要构件混凝土最大主拉应力2.6MPa，抗裂性基本满足要求。

图3 方案二施工部分阶段工艺图

（三）方案比选

该项目桥墩设计未预先考虑先拱后梁预设工况水平力，此次先拱后梁方案变更主要难度在于如何解决施工过程中的水平力平衡问题。方案一适用于桥墩能够承载空钢拱架水平力情况，安装钢拱架前将拱脚与桥墩临时固结，通过精确下料和吊装将钢拱架与拱脚拱肋顺接，拱肋合拢后张拉体外索，解除拱脚与桥墩临时固结，然后进行其余工序。方案二适用于桥墩不能够承载空钢拱架水平力情况，主要依靠设置临时拉索和临时拱肋支架，实现“不固结不扰动拱脚”原则合拢焊接拱肋，拱肋合拢过程中，对拱脚不产生推力，也对桥墩不产生推力，可以实时调整拱架线形与拱脚拱肋顺接，适用性较强。但由于需要设置临时拉索和临时拱肋支架，施工较复杂。拱肋合拢，张拉体外索，卸除临时拱肋支架后工序基本同方案一。

方案一取消拱肋支架和临时拉索辅助措施，施工简单，但对施工控制要求严格。该桥空钢管拱肋安装施工工况下单侧空钢管水平计算推力60t，相应主墩水平计算承载能力65t，精细施工时可采用方案一对拱脚和桥墩临时固结，直接安装钢拱架。由于该桥评估桥墩可以承担钢拱架水平力，变更时钢拱架可以根据理论计算精准下料。

四、结语

根据该项目系杆拱桥建设实际情况,本文提出了两种先拱后梁架设方案，具体采用哪种方案主要取决于桥墩水平承载力富余情况。桥墩水平承载力可靠时，可采用拱墩临时固结直接安装空钢拱架。桥墩水平承载力不足时，可采用“不固结不扰动拱脚”原则增设拱肋支架等安装钢拱架。

该桥先拱后梁施工中拱脚处于自由滑移状态，该体系可以协调拱脚和系杆适应外部变化，不会增加对桥墩水平过大负载，对桥墩水平承载要求较低。目前，随着施工管理技术提升，已有条件通过现场适时整体张拉灵活控制拱脚滑移变化，保障方案设计的拱和墩不接触的理念，但需要根据张拉力实时评估结构受力状态。