大跨径钢箱系杆提篮拱桥全寿命周期一体化建造技术分析

2022-12-30徐晓东安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司安徽合肥230088

安徽建筑 2022年12期

徐晓东（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

十三五期间，安徽省委省政府发布了《关于促进皖北地区又好又快发展的若干意见》，要求大力推进国、省干线公路升级改造、农村公路建设，加快高速公路、民航等项目建设，尽快实现皖北高速公路县县通，形成快捷便利的综合运输网络。按照省委省政府的要求，在《安徽省交通运输“十三五”发展规划》中，高速公路“县县通工程”已经列入“十三五”重点任务。固镇至蚌埠高速公路为安徽省“县县通工程”之一，本项目修建之前，固镇县上下高速公路需要通过蚌埠或者宿州绕行，给固镇县人民出行带来不便，为实现县县通高速公路的目标，落实振兴皖北战略，项目建设十分迫切。

图1 桥梁实景图

本项目于怀洪新河与浍河交汇处东侧约1km位置跨越浍河，设置九湾浍河特大桥，全长2611m。桥位区位于蚌埠市北部，属于淮北平原区，主要由淮河和黄河冲积物组成，地势平坦辽阔，区域内河流平行向东南注入淮河。地貌单元为淮河冲积平原区，微地貌单元为二级阶地，地面标高在15.0m～18.0m之间，河堤标高20.0m～22.0m，地势平坦。桥位处河道较为顺直，河槽宽度约300m，河底高程约10m。两岸滩地较为发育，北岸滩地宽约380m，南岸滩地宽约750m，两岸建有堤防，两岸堤顶高程均约为21.0m，左右堤顶间距约1500m。

1 总体设计

九湾浍河特大桥由北向南依次跨越X017、北岸大堤、浍河主河道、南岸大堤，桥梁全长2611m，跨浍河主航道采用主跨135m钢箱系杆拱桥，跨越X017、北岸大堤、南岸大堤均采用50m简支钢板组合梁桥，其余引桥采用35m连续钢板组合梁桥。桥梁结构构造如下[1-3]。

①钢主梁。钢梁由两边箱主纵梁与预制混凝土桥面板及横梁组成，梁高2.5m，主纵梁边箱寸为 1.6m（斜宽）x2.5m（高），主纵梁、横梁及小纵梁均为全焊钢结构。横梁间距3.6m，每7.2m设置一对吊杆，即间隔一道横梁布置一对吊杆。横向两道主纵梁间布置3道小纵梁，小纵梁顶宽0.65m，底宽0.44m，梁高0.4m。主梁端横梁高4.0m，顺桥向长3.5m。

②桥面板为钢筋混凝土板，采用分块预制，板间现浇湿接缝连接，横向分四块预制，纵向设置5道现浇接缝，桥面板厚度26cm，预制板采用C50混凝土，现浇湿接缝采用C55补偿收缩混凝土。预制桥面板必须存放6个月方可安装，以减少混凝土收缩徐变对结构带来的不利影响。

③主拱及风撑。主拱矢跨比1/4，拱高32.75m（拱轴斜面内）。主拱采用2片提篮式钢箱型断面，拱肋横向倾角13°，拱肋采用矩形等高钢箱拱肋，宽1.6m，高2.5m。拱轴线为二次抛物线。拱顶风撑采用箱型结构，全桥共设置三道风撑。

④吊杆及系杆。吊杆采用挤压锚固钢绞线拉索体系，于梁端张拉，考虑张拉空间影响，吊杆张拉端锚头置于主纵梁箱室之外，最外侧吊杆采用15-31钢绞线、其余吊杆采用15-22钢绞线，吊杆间距为7.2m。吊杆索面与水平面夹角为77°。本桥系杆为可换索式系杆，纵向系杆采用15-31钢绞线，每个箱室6根。端横梁横向系杆采用15-19钢绞线。

⑤下部结构及基础。下部结构墩柱采用直径4.5m圆柱墩，承台接群桩基础，每个承台长12m，宽7.5m，厚3.5m，承台下为6根直径1.8m钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计。

2 总体施工方案

图2 桥梁总体布置图（单位：cm）

全桥采用先梁后拱搭设支架浮吊吊装施工[4-7]。钢梁及系杆拱工厂加工、现场安装采用支架法，水中搭设钢管桩安装系梁底部贝雷梁，利用110t浮吊安装端横梁及系梁、钢箱拱支架、拱肋、风撑及吊杆。桥面板采用场内预制，现场浇筑湿接缝形成整体。钢梁工厂制造节段是根据工厂场地、设备、起吊能力等综合评估后进行分段。钢梁分段分为端横梁部分（10段）、系梁（18段）、中横梁（33段）、小纵梁（102个）；钢箱拱分为拱脚（4段）、拱肋（22段）、横撑（3个）。具体步骤如下：①钢梁及钢拱厂内加工、桥面板场内预制，现场搭设主梁及主拱支架；②利用110t浮吊安装端横梁、两侧钢系梁、中横梁、小纵梁等桥面钢结构体系，形成钢框架；③利用110t浮吊安装钢箱拱支架，并安装连接系；由拱脚至拱顶安装拱肋至合龙；④拆除拱上支架，首张系杆及吊杆；⑤铺设预制桥面板并现浇湿接缝，形成桥面系；⑥二张系杆及吊杆，拆除梁上支架；⑦施工桥面铺装、栏杆、伸缩缝及其他附属；⑧成桥检测、荷载试验、通车等。

3 结构受力关键点分析

组合桥面系钢箱系杆拱桥结构简洁、受力明确，但组合结构关键受力部位需设计合理，施工关键工序对结构受力影响较大，对结构全寿命周期性能有至关重要的作用，本桥影响结构受力的关键因素如下。

①主梁支架拆除时机

本桥主梁及主拱均在支架上施工，主拱合龙后拆除拱上支架，而梁体支架拆除可考虑方案一，在桥面板湿接缝浇筑形成整体后拆除，也可考虑方案二，在铺设桥面板之前全桥钢框架形成后即可拆除。但两者在结构受力、变形及支架设计等方面均存在较大差别。采用方案一时桥面板及钢梁重量均由支架承担，支架拆除后由联合形成整体的组合结构承担，支架设计需考虑桥面板重量对承载能力及变形的影响，由于采用一次落架，施工监控索力张拉及变形控制相对较容易。采用方案二时支架拆除前钢梁重量由支架承担，支架拆除后，钢梁重量及桥面板重量仅由钢梁承担，联合形成的整体组合结构承受后期二恒及活载等作用。支架设计时无需考虑桥面板重量，支架承载力要求相对较低，但二次调索相对较为复杂，结构在拆除支架的体系上铺设桥面板及湿接缝，体系受力及变形相对较为敏感。本桥综合考虑支架设计、体系受力及变形等因素后选择采用方案一。

②主梁柔性系杆二张时机

主梁柔性系杆首张在主拱合龙后进行，二张重点考虑选择方案一为混凝土桥面板与钢梁形成联合整体前二张系杆，方案二为混凝土桥面板与钢梁形成联合整体后张拉系杆。采用方案一，则系杆力主要传给钢主纵梁以抵消钢主纵梁承受的水平推力。采用方案二，则系杆力主要传递给联合截面，主要推力由钢梁承担，抵消主要推力同时可适当给桥面板储备一定预压应力，改善后期活载、温变、收缩徐变等导致的桥面板拉应力过大而导致开裂。本桥经进行严格的结构计算分析论证，决定采用方案二，并且要求施工期间严格执行。

③吊杆破断或更换期间结构敏感性

假设上游侧一根吊杆破断或更换，经对吊杆破断或更换期间进行的敏感性分析发现如下规律。由于桥面系采用了格子梁体系，上游侧单根吊杆破断后不会导致下游侧主拱及主纵梁、桥面系受力发生巨大变化，上下游侧纵向受力相对较为独立；上游侧单根吊杆破断后会导致上游侧临近的两根吊杆力发生巨大变化，次临近的吊杆力变化次之，顺桥向两侧传递逐渐减弱；上游侧单根吊杆破断会导致上游侧拱梁结合位置处受有较大的弯矩，该较大弯矩是梁体重量无法完全由吊杆平衡导致，对结构受力影响较大，需引起足够重视。

4 施工监控关键点分析

提篮式钢箱系杆拱结构受力复杂、施工期间受力、变形及稳定问题极为重要，施工监控是保证主、引桥施工质量和安全的重要环节，是主桥建设成功与否的关键所在，施工过程中需对结构变形、应力和稳定进行监控。钢拱、钢梁及行车道板的制造线形和安装线形均应由施工监控单位下发控制指令，施工单位应严格按照施工控制单位的指令加工制造。监控时变形基点应可靠，梁体、桥面变形测量精度要求达到0.1mm，监测应从制作完工后开始，每个施工步骤均应测量，而后每二至三个月测量一次，以形成完整的变形曲线和图表，变形观测资料应定期交付业主并转交设计单位，竣工验收时作为必须的资料并移交养护管理部门。

提篮式钢箱系杆拱桥施工监控主要控制点如下：①上部结构主引桥施工全过程监控计算，包括主拱、主梁的安装、系杆、吊杆张拉和桥面系施工等；②线形监控测量，包括施工过程中各主要控制点的位移、线形和标高的计算与测量；③结构内力及支反力监控测量，包括系杆力、吊杆力与支座反力等的计算与测量；④结构应力测试，包括主拱、主梁控制截面应力计算与测试；⑤温度测试；⑥施工临时设施监控测量，包括临时支墩、临时系杆等的计算与测量；⑦施工监控应遵循线形、索力双控原则，主拱合龙前以线形控制为主，索力控制为辅；合龙后以索力控制为主，线形控制为辅。坐标及高程测量应保证在一天中温度最恒定的时间（凌晨2:00～6:00之间）进行，同时应记录时刻、温度、风力、气象等客观条件，以便对桥梁进行综合分析控制。

5 养护关键点分析

结合本桥受力特点及关键部位受力分析可知，组合结构钢箱系杆拱桥运营阶段养护重点关注如下事项：①主梁及主拱钢结构涂装失效、焊缝开裂、疲劳裂纹、变形失稳等；②桥面板关注钢混结合处局部裂缝、现浇湿接缝处局部裂缝、拱梁结合段顶部局部裂缝及收缩徐变与钢梁与桥面板不同步温变导致的裂缝。③吊杆与系杆关注短吊杆断裂、吊杆护套破损、锚头区积水渗水、锚固区锈蚀等。④常规养护关注桥面系破损、支座变形老化、伸缩缝破损、护栏泄水管破坏、下部结构水毁等。