勁性骨架拱橋的設計與施工

陳勇杰

（廣東省冶金建筑設計研究院廣東廣州510000）

勁性骨架拱橋的設計與施工

陳勇杰

（廣東省冶金建筑設計研究院廣東廣州510000）

勁性骨架拱橋由于造型優美，受力性能良好等特點得到了的迅速應用推廣，本文結合工程設計實例對勁性骨架拱橋的設計與施工進行淺析。

拱橋；鋼管混凝土；勁性骨架

1　勁性骨架拱橋的特點

拱橋，由于造型美觀，受力性能優越，歷史文化內涵豐富，歷來是我國橋梁結構的一種主要橋型。拱橋上部結構輕型化是拱橋發展的關鍵，而鋼管混凝土結構解決了拱橋材料高強化和拱圈施工輕型化的兩大難題，得到了迅速的應用推廣。

鋼管混凝土用在拱橋上有兩種形式：①直接用做主拱結構，即鋼管混凝土拱橋；②利用鋼管混凝土作為勁性骨架，然后圍繞骨架澆筑混凝土，把骨架作為混凝土的鋼筋骨架，不再拆除。鋼管混凝土是高強輕質且便于施工的高效結構材料，其單位質量的承載力與鋼材接近，甚至可能比鋼材還要強；其鋼管兼具安裝架設階段的勁性骨架、灌注混凝土階段的模板和鋼筋以及運營階段對核心混凝土的套箍約束等多種功能，較全面地解決了橋梁結構所要求的用料省、安裝重量輕、施工簡便、承載能力大等諸多矛盾。

拱橋的施工方法是最為關鍵的技術，我國鋼管混凝土拱橋的空鋼管拱肋架設由以往的滿堂支架上施工發展到無支架施工。目前我國拱橋主要施工方法有：轉體施工法、纜索吊裝法、支架施工法、懸臂拼裝法等。

2　工程結構設計要點

2.1工程概況

鳳凰二橋位于廣州市南沙區，主橋為（40+4×58+40）m上承式混凝土葵花形拱橋，主橋全長312m，正好跨越上橫瀝水道。原施工圖采用支架法現澆主拱混凝土。考慮到支架現澆對航道的影響，對主拱、橋墩及基礎進行重設計，主拱采用勁性骨架方案。

圖1　全橋布置圖

2.2主拱設計

主拱拱軸線采用四次拋物線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.6m，拱頂處截面高1.2m，矢跨比為1/7。

勁性骨架為空間桁拱體系，由上弦桿、下弦桿、腹桿、平聯及加勁構件組成。

弦桿——φ299mm（t=12mm）無縫鋼管；

腹桿——推薦采用2L100×10mm等邊角鋼（采用φ152mm（t=8mm）鋼管作為比選）；

平聯——L80×50×8mm不等邊角鋼。

腹桿、橫聯與弦桿采用節點板連接，并在連接位置橫斷面上設置加勁板，所有構件均采用焊接方式連接。

勁性骨架由6根弦桿（3根上弦桿、3根下弦桿）、直腹桿、斜腹桿、平聯橫撐和斜撐通過節點板焊接成桁拱結構，在平聯、直腹桿與弦桿，相交位置設置加勁板；在主拱橫隔處及合攏段直腹桿處設置橫聯加強橫向聯系，其余區段橫聯大致按縱向間距4.5m設置一道；在主墩1/4跨徑范圍內加厚弦桿壁厚（采用φ299mm（t=16mm））。截面高有拱座處1.4m變化至跨中1m，寬10.65m，矢跨比及拱軸線方程與主拱混凝土結構保持一致。

圖2　主拱拱肋勁性骨架

2.3橋墩設計

（1）主拱拱腳臨時連接方案

方案一：球鉸連接

主拱勁性骨架在拱腳位置采用φ152mm（t=14mm）鋼管三角交會連接，交會點采用φ299mm（t=16mm）鋼管形成球鉸，拱座預埋厚20mm半徑160mm鋼板鞍座與球鉸對位。

施工順序：主拱吊裝就位→泵送勁性骨架弦桿混凝土→焊接上下弦桿連接件→澆筑封鉸混凝土。

方案二：栓銷連接

主拱勁性骨架在拱腳位置采用φ152mm（t=14mm）鋼管三角交會連接，交會點采用厚40mm鋼板開φ120mm栓孔，拱座亦采用厚40mm鋼板開φ120mm栓孔。

施工順序：主拱吊裝就位→插入栓銷→泵送勁性骨架弦桿混凝土→焊接上下弦桿連接件→澆筑封鉸混凝土。

主拱拱腳臨時連接方案比選：

方案一通過球鉸傳力，拱座、球鉸均承壓，就位方便；

方案二栓銷連接件為拉壓構件，對栓銷構件的加工精度要求較高，拱腳變形對就位影響較大。

綜合考慮受力及方便施工因素，推薦采用方案一。

圖3　拱鉸構造圖

（2）主拱拱座設計

主拱勁性骨架吊裝就位以后，在主拱混凝土分段澆筑階段，主拱拱座上弦桿區域以受拉為主，下弦桿區域以受壓為主。

拱座表面預埋厚30mm承壓鋼板，在主墩內預埋φ299mm（t=16mm）鋼管，與主拱勁性骨架對接，在預埋鋼管圓周方向設置加勁肋板。上弦桿受拉區單端張拉φ32mm精軋螺紋鋼，錨于承壓板。弦桿受壓區以錨栓加勁。

2.4體外預應力臨時系桿設計

為平衡施工階段的水平推力，控制結構水平變位，采用體外預應力臨時系桿來平衡水平推力。

方案一：岸跨拱梁端外置反力架

在岸跨拱梁端外置反力架，臨時系桿設置在岸跨拱梁的外側（懸臂翼緣下），臨時錨固在岸跨拱梁梁端，在張拉一期體外預應力系桿后放張拆除，移至箱中張拉作為永久系桿。

方案二：岸跨拱梁橫隔外伸作反力架

將岸跨拱梁體外預應力錨固處橫隔外伸作為反力架，臨時系桿設置在岸跨拱梁的外側（懸臂翼緣下），臨時錨固在外伸橫隔梁上，在張拉一期體外預應力系桿后放張拆除，移至箱中張拉作為永久系桿。

方案比選：

方案一采用外置式反力架，安裝及拆卸均比較方便，對岸跨拱梁的影響較小；但體外預應力系桿比永久系桿長，轉換為永久系桿時需重做錨頭。

方案二利用外伸橫隔梁作反力架，系桿長度與永久系桿一致，但此方案對岸跨拱梁的影響較大，施工較困難。綜上所述，考慮到施工方便以及對岸跨拱梁的影響，推薦采用方案一。

根據目前方案計算結果，單幅設置一對37-φ15.2mm體外預應力臨時在系桿，施工時控制承臺頂水平位移不得超過±6mm。

體外預應力系桿臨時錨固預外伸橫隔梁上。

為消除臨時系桿自重垂度及系桿豎向分力的影響，在主墩處設置臨時支承和轉向裝置，同時應設臨時系桿保護裝置；臨時支承為型鋼拼接柱構件與梁構件組合體系。

3　施工方案

3.1主拱施工方案

（1）施工主墩時預埋拱座構件，施工拱座；

（2）拱桁勁性骨架構件放樣、加工，工廠或現場整體拼裝焊接桁拱勁性骨架；

（3）航道臨時封航，浮吊主拱勁性骨架就位；

（4）泵送鋼管混凝土，泵送順序為先下弦桿后上弦桿，先中弦桿后邊弦桿；

（5）調整主拱勁性骨架，焊接上下弦管，定位拱腳；

（6）體外預應力臨時系桿施工；

（7）從拱腳至拱頂分段澆筑主拱混凝土，拱腳預留后澆帶；通過體外預應力臨時系桿調整主墩水平變位及推力；

（8）主拱合攏，先合攏主拱中間段，再合攏主拱拱腳段。

3.2全橋施工順序

步驟一：施工主橋各橋墩鉆孔灌注樁基礎；施工承臺和部分橋墩（拱腳），預埋臨時系桿立柱構件；施工過渡墩樁基礎、承臺和墩身；工廠預制主拱勁性骨架。

步驟二：施工橋墩（拱腳）；拱腳預埋型鋼（I45c）；施工拱座。

步驟三：主拱勁性骨架運抵現場，做好吊裝前準備工作；施工岸跨拱梁支架，并對支架進行預壓。

步驟四：臨時封閉航道；用浮吊將中跨主拱勁性骨架吊裝就位、固定；灌注主拱勁性骨架弦桿鋼管混凝土；現澆岸跨拱梁現澆段。

步驟五：浮吊邊跨主拱勁性骨架吊裝就位、固定。灌注主拱勁性骨架弦桿鋼管混凝土。拆除中跨勁性骨架臨時拉索；設置臨時航標指示，恢復通航。合攏岸跨拱梁；張拉岸跨拱梁預應力鋼束。施工體外預應力臨時系桿支架。

步驟六：拆除邊跨勁性骨架臨時拉索；臨時系桿起吊、安裝，初張拉臨時體外預應力系桿。

步驟七：安裝主拱移動模架；從拱腳至拱頂分段對稱澆注主拱圈；拱腳預留后澆段。自本施工階段起，施工時應根據施工監控不斷調整臨時系桿張拉力，控制各承臺頂的水平位移不得超過6mm。

步驟八：對稱逐段施工主拱現澆段至主拱拱頂合攏段，合攏主拱。

步驟九：澆注主拱拱腳后澆段；拆除岸跨拱梁支架。在主拱圈上搭設支架施工腹拱（腹拱拱腳設鉸）。澆注拱上支座墊石。

步驟十：在主拱圈上搭設支架，由跨中向兩側分段對稱現澆施工拱上縱梁；完成體外預應力永久系桿穿束；安裝縱梁支座。

步驟十一：張拉體外預應力系桿。自本施工階段起，施工時應根據施工監控不斷調整系桿張拉力，控制各承臺頂的水平位移不得超過6mm。放張、拆除臨時體外預應力系桿；并將臨時體外預應力系桿移至箱內，穿索、定位、張拉，轉換為永久系桿。

步驟十二：拆除臨時系桿支架；對稱有序張拉張拉縱梁預應力鋼束，現澆縱梁接縫，拆除縱梁支架。

步驟十三：分級將體外預應力系桿內力調整至設計值，施工中各承臺頂水平位移不得大于6mm。拆除腹拱支架。

步驟十四：施工橋面系、安裝伸縮縫、裝飾擋板及橋上附屬設施等。然后施工腹拱拱腳封鉸混凝土。清理河道及其它臨時施工設施。

4　結語

勁性骨架拱橋設計是一項復雜的工作，設計應遵循適用、經濟、安全和美觀的基本原則。由于受地形、地質和施工環境等條件影響，在設計時給人們帶來了一定的難度，這就要求在設計時要反復對比方案，進行精確計算，充分發揮勁性骨架拱橋的優勢，做出最科學合理的設計方案。

[1]《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）[S].

[2]范立礎.橋梁工程（下）[M].北京：人民出版社，2001，11.

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社，1999，09.

U448.22

A

1673-0038（2015）16-0189-03

2015-3-20

陳勇杰（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事路橋設計工作。