新建鐵路大跨度鋼箱拱橋轉體施工控制分析

賈建平

(中鐵十七局集團 第二工程公司，西安 710000)

1 工程概況

新建鐵路跨越高速公路某橋采用的是(32+108+32)m中承式鋼箱混凝土拱連續梁體系，為該線路的節點橋之一，也是我國新建鐵路中首座鋼箱拱轉體橋。大橋主要由44節拱肋與主縱梁段、33片橫梁和128片小縱梁組成，最大吊裝高度34 m，最重節段的質量為81.5 t。主縱梁、一字撐、K撐和支墩均采用鋼箱截面。其中，主縱梁截面寬1.6 m，高2.1 m，兩片主縱梁中心距12 m。邊拱肋與主拱肋為變高度鋼箱混凝土截面，拱肋截面寬1.6 m，拱軸線采用二次拋物線。其中，主拱矢高24.0 m，邊拱矢高12.4 m。兩片主梁之間采用縱、橫梁聯結系，除端橫梁為箱形截面外，其它橫梁和小縱梁均為焊接工字鋼截面。縱、橫聯結系上面鋪設寬13.6 m、厚30 cm的鋼筋混凝土橋面板。拱橋吊桿采用φ122 mm的圓鋼，間距5.4 m。橋型布置如圖1所示。

2 總體施工方法

該橋跨越高速公路，且在既有京滬線旁，為不影響繁忙的高速公路通行，又能絕對保證既有鐵路的正常運營，各鋼結構采用工廠分段加工制造，在現場沿高速公路兩側搭設支架分為對稱的兩部分現場拼裝、焊接成形，然后采用平面轉體法轉體合龍，單側轉體質量3 800 t，轉體角度分別為 81°和 99°。

為保證結構的安全，且使得中跨合龍的標高滿足設計需要，施工時考慮在主縱梁上搭設一個索塔，并用扣索分別拉住前端和后端，形成一個自錨結構體系。拱腳至索塔頂總高為40 m，自主縱梁向上的索塔高度為27 m，采用八三墩桿件拼組而成。轉體結構及索塔斷面如圖2所示。索塔兩側為分離式扣索，扣索采用30束7-φ5 mm鋼絞線，利用扣索克服索塔兩邊鋼箱拱自重，使拱肋脫離支架，形成轉體結構。扣索兩邊角度不等，受力不等，索塔為壓彎受力結構。為保證索塔只承受壓力，索塔底部采用鉸接。

圖1 橋型布置(單位:m)

圖2 轉體結構(單位:mm)

3 施工工序

該橋為該新建鐵路的重點橋梁之一，其結構的線形直接影響到軌道的鋪設以及其受力特性，施工過程比較復雜。主要施工步驟有:①主墩樁基礎和邊墩鉆孔樁施工，基坑開挖，邊墩承臺、主墩承臺及千斤頂反力座、牽引反力座施工，安裝轉體滑道和中心限位裝置。順京開路方向施工上轉盤，試轉動后，安裝鋼拱座及拱腳鋼橫梁。②順高速公路方向在支架上拼裝鋼箱拱肋、支墩、縱橫梁、橫撐、人行道等鋼構件，先灌注鋼拱座內混凝土，然后頂升邊拱肋頂升段混凝土，最后灌注邊拱肋端部混凝土，臨時固結鋼拱座和上轉盤，安裝橋面板永久鋼底模、扣索、塔架及平衡重等。③按照施工順序第一次張拉扣索，安裝兩根較長吊桿并施加預拉力，然后安裝中間吊桿并施加預拉力，最后安裝兩根較短吊桿并施加預拉力，全部脫架完成整個轉體系統施工。

4 轉體體系平衡控制分析

對半跨鋼箱梁轉體結構建立空間計算模型，其中，鋼箱梁的主縱梁、橫梁及小縱梁采用梁單元;索塔采用等剛度截面梁單元模擬，并釋放梁底轉角約束;吊桿采用桁架單元;扣索只采用扣索單元，主要進行施工過程中的轉體體系平衡計算、脫架過程模擬計算以及合龍前高程計算，從而確定平衡重配比，扣索張力大小等。

進行轉動體系平衡計算的關鍵在于建立精確的計算模型，模型產生的自重須與實際相符，建模時對鋼箱梁各個節段的重量進行仔細核對，根據截面的不同采用逐段荷載加載方式。將拱腳處進行全約束，若拱腳兩邊(邊跨及中跨)重量分配相等，則拱腳處的彎矩為0，若拱腳兩邊重量分配不等，則會在拱腳處產生縱向不平衡彎矩，應根據該值來確定平衡重的重量。計算模型見圖3。

圖3 轉體體系平衡計算模型

通過施加自重荷載，計算得拱腳處的不平衡彎矩13 000 kN·m，在邊跨梁端配1 000 kN的平衡重。施加平衡重后，拱腳處彎矩減小為2 000 kN·m，由 e=M/G(M為不平衡力矩，G為轉體結構總重)計算得偏心距為0.06 m。

轉動支承系統須滿足轉體、承重及平衡等多種功能要求。該橋轉動體系的轉盤尺寸較大，為撐腳支撐。撐腳主要布置在橫橋向兩側，轉體鋼箱梁的抗傾穩定遜于布置在順橋軸向上。整個轉體結構的重心越接近轉動中心，撐腳的受力越平均，越有利于平轉順利實施。通過對該橋轉動施工過程的實時監控，配置平衡重后，整個結構具有良好的穩定性能。

5 施工過程內力及線形控制

5.1 支架組成

支架為八三墩拼組而成，各段鋼箱梁在支架上進行拼裝，如圖4所示。各段鋼箱梁在支架上焊接成形后，安裝索塔與扣索，隨后灌注邊拱肋端部箱內混凝土。鋼箱梁材質為Q370qE，灌注混凝土為C50。計算中，采用施工階段聯合截面來模擬邊拱肋的剛度變化。支架采用只受壓邊界條件進行模擬，當該邊界條件不受力時，即表示該支架脫架。扣索張拉采用施加初拉力的方法來模擬，其拉力主要由以下三個方面確定:一是保證索塔受力穩定，二是保證轉體前支架全部脫架，三是保證鋼箱梁的傾覆穩定，即保證拱腳處彎矩盡量小。

圖4 鋼箱梁拼裝支架布置(單位:m)

5.2 扣索拉力

施工中分兩次張拉扣索。邊拱肋端部灌注完混凝土及配重后，進行第1次張拉;待安裝完3組吊桿后(由長至短進行安裝)，進行第2次張拉。吊桿張拉力(由長至短)分別為 50 kN、40 kN、100 kN、20 kN，50 kN。兩次扣索的張拉力如表1所示。

扣索采用7-φ5 mm鋼絞線，抗拉標準強度為1 860 MPa，計算得單根扣索的軸向應力為646 MPa，為標準強度的35%。

表1 扣索拉力值 kN

5.3 索塔受力

計算得索塔所承受的最大豎向力為2 650 kN。按四肢組合構件，綴條為角鋼∠80×80×10來計算索塔結構的整體穩定性。先計算出換算長細比，查出穩定系數，再按軸心受力構件計算受壓穩定。換算長細比λ0y為

式中，λ0y為整個構件對 y軸的換算長細比;λy為整個構件對y軸的長細比;A1x為構件截面中垂直于x軸的各斜綴條毛截面面積之和;A為構件的毛截面面積;［λ］為容許長細比，此處為150。

計算得索塔整體受壓強度為87 MPa＜［σ］=215 MPa。索塔結構無論桿件受力，還是整體受壓，均滿足要求，并有較大的安全儲備。

5.4 鋼箱梁受力

轉體施工過程計算中，當拆除梁上支架及部分主梁支架時，在拱肋與主梁固結位置處，梁體出現的最大應力為48 MPa。整個施工過程中，梁體應力較小，表明該施工方案有利于控制梁體合龍前的體內應力。

5.5 線形控制計算

1)全部脫架后，轉體前，前端索力2 200 kN，后端2 700 kN，配重650 kN，主縱梁位移為 +2 cm，梁端位移為+1.45 cm。結果見圖5(a)。

2)轉體到位后，梁端橫梁灌注混凝土，梁端落于支座上，位移為0，主縱梁梁端位移為 +3.9 cm，索塔橫向位移為2.2 cm。位移結果見圖5(b)。

3)中拱肋扣索增張拉160 kN，邊拱肋扣索增張拉200 kN(邊拱肋扣索的張拉是為了保證索塔頂部的位移)，主縱梁端由 3.9 cm上升到6.8 cm，索塔頂部橫向位移2.2 cm。位移結果見圖5(c)。

4)合龍時，主縱梁跨中位移+6.6 cm，索塔頂部橫向位移2.2 cm。見圖5(d)。

5)拆除扣索后，主縱梁跨中位移 +5.8 cm(該值為設計合龍預拱度)。見圖5(e)。

6)分級卸載時，主縱梁梁端位移與塔頂橫向位移見表2。

圖5 線形控制計算步驟

7)線控結論。計算結果與實際施工時的測量結果吻合得較好，由于影響位移的因素較多，除了嚴格依據理論計算結果作為施工指導外，還需加強現場監控。在后端索力2 700 kN、前端索力2 200 kN、后端配重650 kN、后端位移+3 cm、主縱梁前端位移 +4 cm的情況下，轉體到位后，后端到位并壓上另一跨混凝土梁后會引起主縱梁前端位移上升，此時，需嚴密監控該過程中主縱梁的上升高度，并適當調整索力。根據計算結果，合龍并放松索力后，主縱梁跨中下撓1 cm，因此，在后端落梁后，需保證主縱梁端上撓+6.8 cm，也就是拱肋的合龍上撓值。為保證前端的上撓值，需要微調張拉或放松扣索。該橋已于2010年5月順利轉體合龍。

表2 主縱梁位移和塔頂橫向位移

6 結語

轉體施工已逐漸成為一種比較成熟的橋梁施工方法，尤其是對修建處于交能運輸繁忙的城市立交橋和鐵路跨線橋，有著明顯的優勢。轉體施工過程的內力及線形控制對成橋有很大的現實意義。通過對新建鐵路跨高速公路鋼箱拱轉體橋有平衡重不對稱平轉法施工過程的內力及線形控制分析，論證了該橋施工方案合理可行，并且通過實測數據與理論數據的比較，表明了計算結果與實際的發展趨勢相對應，為該橋安全順利地進行轉體并合龍提供了保障，同時也可為今后同類橋梁施工提供借鑒。

［1］張聯燕，譚邦明.橋梁轉體施工［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］向中富.橋梁施工控制技術［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］周丹，褚奇，黑世強.鋼筋混凝土拱橋轉體施工的仿真分析［J］.交通科技，2008(2):28-30.

［4］余常俊.轉體法施工轉動體系設計、加工與安裝技術研究［J］.鐵道建筑，2010(6):1-3.