下承式连续梁-拱组合桥施工方案比选研究

李杰，胡钦侠，朱金柱

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040）

0 引言

伴随着我国桥梁技术的不断发展进步，出现越来越多设计新颖且造型美观的桥型，其中，下承式梁拱组合桥因适用范围广、结构刚度大、造型简单、景观效果良好而被广泛应用。在下承式连续梁-拱组合桥的建造过程中，采用不同的施工方案，其技术可行性、经济合理性、安全可控性等会有较大差异[1-4]，本文以下承式连续梁-拱组合桥——余信贵大道月湖特大桥主桥为例，研究其最优的拱桥施工方案，研究方法以及研究结论可为类似桥梁施工借鉴和参考[5]。

1 工程概述

余信贵大道月湖特大桥主桥为（30+185+30）m中央索面下承式梁拱组合结构，拱轴线为二次抛物线，理论跨径185 m，矢高46.25 m，矢跨比为1 ∶4。主梁采用钢混叠合梁，全长244.72 m，全宽47.0 m，桥梁设计标高处梁高4.0 m。顶板为钢筋混凝土结构，厚度为28 cm。拱肋采用单室箱型截面，截面尺寸由拱顶4.5 m×4.5 m 线性渐变至拱底6.0 m×6.0 m。拱肋共划分11 个节段绘制，其中GJa、GJb 与主梁固结，拱肋钢结构除GJa、GJb 采用Q420qD，其余均采用Q345qD，吊杆在梁上纵向间距8.5 m，全桥共19 对。在拱脚处，设固定球型钢支座、横向活动球型钢支座，活动墩顶面设纵向活动球型钢支座、双向活动球型钢支座。该桥设置双向6 条设计速度60～80 km/h 的机动车道，荷载等级为城一A 级[6]。

2 施工方案

目前我国下承式连续梁-拱组合桥的施工方法常用的有少支架施工法、悬臂架设法、缆索吊施工法和顶推法。以月湖特大桥为工程背景，通过对该流域的水文、气候、通航情况等进行调查，结合桥址实际情况，参考同类桥梁施工经验[4,7-10]可知，月湖特大桥是单拱连续梁拱组合桥，单拱肋稳定性较差，采用少支架施工时，不利于支架安拆，且会影响后续梁段的安装。对于悬臂架设法，工程背景通航要求最少预留61 m 距离，搭设临时支墩或者临时支架难以满足要求且风险较大，不适宜采用。由此本文将针对缆索吊施工和顶推施工2 种施工方案进行比较，围绕技术可行性、经济合理性、安全可控性3 方面展开对比分析，力求选择安全、工期快、费用节省的最优实施方案[11-12]。2 种方案具体实施步骤如表1 所示。

表1 2 种施工方案步骤Table 1 Two kinds of construction scheme steps

缆索吊施工和顶推施工总体布置图如图1 和图2 所示。

图1 缆索吊施工总体布置图（mm）Fig.1 General layout of cable hoisting installation(mm)

图2 顶推施工布置图（mm）Fig.2 Layout of jacking installation(mm)

根据上述2 种施工方案，采用有限元软件Midas civil 建立相对应的有限元模型。模型中导梁、主梁、拱肋、索塔、拱肋支架和拱座采用梁单元模拟，扣索、背索、吊杆采用桁架单元模拟，拱脚等约束按照实际图纸进行设置，支承单元采用只受压单元，模拟可能出现的脱空现象。该桥设计为双向6 车道，按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，恒载考虑自重和二期恒载，活载考虑人行道荷载。

3 施工方案比选

3.1 技术可行性比选研究

3.1.1 缆索吊方案技术可行性研究

对于缆索吊施工方案而言，它的技术可行性主要控制指标一般为：1）索塔竖向、纵向位移；2）拱肋位移、应力；3）拱脚水平推力、临时吊杆；4）扣索及背索力[13]。本节将通过以上4 个参数验算缆索吊方案技术可行性。

1）索塔位移和应力

索塔最大位移和最大应力图见图3。

图3 索塔最大位移和最大应力图Fig.3 Maximum displacement and maximum stress of cable tower

由图3 分析结果可知：采用缆索吊施工工艺时，施工过程中索塔最大竖向位移为32 mm，最大纵向位移为17 mm，索塔竖向位移可通过对索塔预抬高处理，另根据分析结果，随着拱肋吊装的进行，索塔水平位移逐渐减少至5 mm；施工过程中索塔最大应力为143 MPa（受压），因此索塔应力和位移均在规范要求范围以内。

2）拱脚水平力和临时系杆力

缆索吊施工扣索和背索序号由上向下依此增大，背索编号为SR，扣索编号为SF，因此，背索和扣索自上而下分别为SR1—SR6 和SF1—SF6。

施工阶段各种构件受力图见图4。

图4 施工阶段部分构件受力图Fig.4 Diagram of force on some components in installation process

由图4 分析结果可知：采用缆索吊施工工艺时，施工过程中拱脚处产生的最大水平推力达到10 835.9 kN，该水平推力较大，因此对拱脚处支座要求较高；拱脚处共设置4 根临时系杆，单根临时系杆力最大为7 000 kN，对施工过程中临时系杆张拉设备和张拉空间有一定要求，另扣索和背索最大受力分别为1 000 kN 和1 100 kN，均小于规范允许值。

3.1.2 顶推方案技术可行性研究

对于顶推施工方案而言，通过在已顶推完成的主梁上搭设支架，然后进行拱肋的拼装，因此与缆索吊施工不同的是，顶推施工过程中技术可行性主要控制指标重点是：1）导梁、主梁应力；2）导梁、主梁位移；3）临时墩最大支反力。由于顶推施工工艺的顶推过程结构受力情况更为复杂，选取的工况均是施工过程中的最不利阶段，分别包括导梁前端或主梁尾部悬臂较大工况，见表2，这些关键工况下导梁前端或主梁尾部的位移较大[14]，本节将通过这些工况结构受力情况验算顶推方案技术可行性。

表2 顶推过程详细工况Table 2 Detailed working conditions of jacking process

1）导梁、主梁应力

主梁、导梁应力和位移图如图5 所示。

图5 主梁、导梁应力和位移图Fig.5 Stress and displacement diagram of main beam and guide beam

由图5 可知，采用顶推施工工艺时，施工过程中主梁最大应力为66.7 MPa，导梁最大应力为-114.4 MPa，顶推完成时应力均降至50 MPa 以内；主梁最大位移为-62 mm，导梁最大位移为-253 mm，随着顶推的进行，导梁和主梁位移相对初始值大幅降低，顶推完成时位移均在10 mm 以内。由此可见，顶推过程中强度、刚度满足规范和设计要求。

2）临时墩支反力

顶推施工过程中临时墩编号由左至右分别为临时墩1—临时墩5，整理各临时墩支反力计算结果，各墩支反力在顶推过程中的变化趋势见图6。

从图6 可知，采用顶推施工工艺时，顶推过程中临时墩最大支反力为15 888.9 kN，出现在第一阶段即导梁大悬臂阶段（跨度61 m）的临时墩2 处，顶推结束，拱肋安装完成时临时墩3 出现最大支反力15 954.1 kN，由此可知顶推施工方案中临时墩支反力均在规范和设计允许范围内。

图6 临时墩最大支反力Fig.6 Maximum support reaction force of temporary pier

3.2 经济可行性比选研究

通过对缆索吊方案和顶推方案的主要施工成本、预算造价以及预算利润进行详细计算，得出结论如下：

缆索吊施工方案技术相对更加复杂，所需人工费和材料费将远大于顶推方案，而顶推方案设备费更昂贵，综合来看缆索吊方案施工成本相对顶推方案来说更高，而预算造价方面，顶推方案的预算更加充裕，综合来看，顶推方案预计利润率相比缆索吊方案更高，从经济可行性方面来说，顶推方案远胜缆索吊方案[4，15]。

3.3 安全可控性比选研究

根据以往施工经验以及实际项目情况，对缆索吊方案和顶推方案进行详细分析，从技术复杂程度、起重设备要求、安全风险以及进度优势等多个方面综合考虑，将2 种施工方案的优势劣势列出，如表3 所示。

通过表3 对比分析结果可知：

表3 不同施工方案安全可控性比选Table 3 Comparison and selection of safety controllability of different installation schemes

1）从技术复杂程度方面考虑，采用缆索吊施工工艺时，拱脚临时锚固水平力最大将近1 100 t，因此该方案对拱脚处纵向约束支座要求很高，另临时系杆单根张拉力达到700 t。方案中共包含4 根临时系杆，该方案对现场张拉设备预留空间有较高要求。

2）缆索吊施工需进行高空作业，相比顶推施工风险性更大，结合该项目施工现场情况，缆索吊施工还会影响东西岸引桥施工，主引桥无法同步施工，工期稍长，顶推施工则不存在该问题。

4 结语

本文通过建立2 种不同施工方案的有限元模型，重点进行了桥梁在各施工过程中多方面可行性研究分析，得出如下结论：

1）缆索吊和顶推施工方案在技术可行性上均可实现，但采用缆索吊方案时拱脚临时锚固水平力在施工过程中最大值达到将近1 100 t，因此对拱脚处纵向约束支座要求很高，另临时系杆单根张拉力达到700 t，对现场张拉设备及预留空间有较高要求。

2）从经济可行性方面来说，顶推方案相比缆索吊方案利润更可观，因此顶推方案相比缆索吊方案经济性更优。

3）缆索吊施工需要进行高空作业，相比顶推施工风险性更大，另结合该项目实际施工现场情况，缆索吊施工会影响东西岸引桥施工，相对顶推施工工期更长。

通过对缆索吊和顶推方案的技术可行性、经济合理性、安全可控性3 方面的综合比选，推荐在顶推施工的基础上进行施工方案深化及优化设计。