提篮拱桥施工中的立柱与拱圈变形控制关键技术

张晓红

（邢台市信都区地方道路管理站，河北 邢台 054001）

某上承式钢管混凝土拱桥所处施工环境恶劣，桥梁桥面距离下方河面达260余米，设计桥孔中央为跨度240m的钢管拱，两侧为单跨长32.7米的简支箱梁，大小里程侧分别有4跨和3跨简支梁。桥梁左右线路间隔约4.6m。

一、顶推方案优化比选

该项目桥梁跨越深谷，传统的满堂支架法无法搭设。在此情况下，比较适用的施工工艺主要为顶推法。对于上承式钢管混凝土提篮拱桥主桥施工，在应用顶推法时，传统上往往采取钢导梁单独配置的措施，导致后续拆除导梁或临时墩拆除时需要在高空处操作，施工过程费时费力，且工况比较危险[1]。因此，考虑到桥面距离河面较高，为保证施工安全，避免高空作业风险，同时使后续拆除量减少，项目的导梁与临时墩均不单独设置。

鉴于该项目大桥的梁体结构非常庞大，因此适用的顶推技术为拖拉法顶推技术。另外，桥梁箱梁质量很大，故考虑将顶推法中的卷扬机替换为千斤顶，保证顶推效果与运行精度。

二、立柱位移与拱圈变形控制关键技术

该项目混凝土钢管拱桥上布置的桥墩立柱总数为11个，立柱编号分别为1号至11号，大桥设计结构立面情况如图1所示。

图1 大桥结构设计立面布置

在图1所示桥墩立柱中，1号高度为40m，2号高度为24m，3号高度为13m，4号高度为6m，5号至7号立柱则与盖梁采用一体化设计处理；8号至11号立柱与1号至4号立柱对应分布，故两者立柱高度一一对应等同。该项目桥墩立柱分布于钢拱圈上，距离桥面距离较远，高度较高，因此在抗水平侧力方面较为薄弱。为此，特将高度偏高的立柱，通过钢绞线连接于其他位置的桥墩，再施加一定的预张拉力。需要说明的是，施加的预张拉力不得大于立柱所能承受的水平侧力值。例如，将1号、2号主墩立柱通过钢绞线连接串联于3号主墩，再施加预张拉，或将9号至11号主墩立柱通过钢绞线连接串联于8号主墩，再施加预张拉等。

在拖拉法顶推施工过程中，为有效削弱顶推施工导致的钢拱圈偏压效应，在钢箱梁还未被拖拉至钢拱圈上的桥墩立柱前，先行对偶数编号的桥墩立柱进行钢绞线预张拉，从而有效地控制钢管拱圈所受的偏压效应[2]。

该项目采用Midas/Civil有限元分析软件，为钢管拱上的桥墩立柱与交界墩等建模，并模拟钢绞线预加拉力。

（一）桥墩立柱的有限元分析

在顶推箱梁重力、桥墩立柱自重及最大水平方向顶推力的综合作用下，大桥钢管拱上相应编号的桥墩立柱的水平位移与应力分布状况，如图2所示。其中，最大水平顶推力是指250t重的钢箱梁在处于最大悬臂姿态时的顶推力。

由图2（a）知，1号至3号桥墩立柱的墩顶位移分别为21mm、15mm、5mm，均小于22mm，满足标准规定。因此，采取将钢绞线连接于1号、2号立柱与3号交界墩间且开展张拉措施，能使钢管拱上方的桥墩立柱抗水平变形能力增强，保证拱圈上柔性墩的水平变形有效减小。

图2 箱梁顶推最大悬臂状态下桥墩立柱的水平位移及应力分布

由图2（b）知，1号至3号桥墩立柱受拉区域的应力大小分别为-2MPa、-0.15MPa、+0.6MPa，受压区域的应力大小分别为-2.2MPa、-3.2MPa、-2.8MPa。其中，3号立柱的底部出现拉应力最大值，达0.59MPa，而C40混凝土的极限抗拉力值为1.72MPa，表明拱圈上方的桥墩立柱混凝土拉应力在允许范围内。

由图2（c）知，9号至11号桥墩立柱的墩顶位移分别为5.2mm、15.5mm、13.5mm，均小于22mm，满足标准规定，说明顶推控制技术克服了柔性高墩抗水平侧力能力差的问题，规避了桥墩立柱被拉裂破坏的风险。

由图2（d）知，9号至11号桥墩立柱受拉区域的应力大小分别为+1MPa、+0.6MPa、-1.4MPa，受压区域的应力大小分别为-3.2MPa、-3.6MPa、-2.8MPa。其中，9号立柱的底部出现拉应力最大值，达1MPa，同样小于C40混凝土的极限抗拉力值1.72MPa，表明拱圈上方的桥墩立柱混凝土拉应力在允许范围内，立柱混凝土没有遭受破坏。

（二）拱圈的有限元分析

为控制偏压现象，拟在钢箱梁还未被拖拉至钢拱圈上的桥墩立柱前，先行对偶数编号的桥墩立柱进行钢绞线预张拉，从而限制拱圈的竖向位移。在2、4、8、10号立柱墩底及3、4号交界墩底部，分别埋设固定预埋件，采取钢绞线对相应桥墩立柱及主墩底部锚座实现串联，并将150t的预拉力施加于柱底。

在钢管拱圈与立柱自重及主梁的受压力作用下，3号交界墩侧的钢管拱受压后，在偏压效应作用下，整个钢管拱圈发生的偏压变形在预张拉前、后，分别如图3（a）、（b）所示。

图3 偏压钢管拱圈在预应力张拉前后的变形情况

由图3（a）知，钢管拱圈未进行预张拉时，偏压下的8号至11号桥墩立柱竖向变形分别为11.9mm、7.9mm、7.01mm、2.9mm，1号至4号桥墩立柱竖向变形分别为12.01mm、4.2mm、16.01mm、21.01mm。由此可得，编号较小侧的立柱竖向位移整体要小于编号较大侧的立柱竖向位移，这将引起拱圈两侧的不对称变形。在钢管拱圈进行预张拉后，由图3（b）可知，偏压下的8号至11号桥墩立柱竖向变形分别为16mm、12.1mm、9.7mm、3.4mm，1号至4号桥墩立柱竖向变形分别为3mm、8.5mm、12mm、16mm。由此可得，钢管拱圈两侧的竖向位移值基本相同，偏压效应引起的负面作用得到了控制，说明钢管拱圈不会发生不对称变形，保证了整体线形。

三、施工监控分析

在拖拉法顶推施工过程中，需要实时监控钢管拱圈的竖向变形、拱圈上方桥墩立柱的底部应力及墩顶的水平位移值等，以此保证钢箱梁顶推施工时，钢管拱圈、桥墩立柱的应力应变情况满足标准规定。结果表明，相关数据均在允许范围内，验证采取的技术措施是有效的。

四、结语

本文依托国内某高铁上承式钢管混凝土拱桥施工实践，针对其拱圈上部桥墩立柱高度较高的特点，依次采取了偶数编号桥墩立柱底部串联钢绞线并预加拉力，以及在钢管拱圈上对称斜拉钢绞线的技术措施，有效地控制桥墩立柱的水平变形与拱圈的不对称变形状况，从而高效完成了大桥建设。