空間異形鋼拱橋整體豎向轉體結構體系轉換施工分析

吳水根 陳 琪 呂兆華

1. 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 20092；2. 同濟大學土木工程學院 上海 20092

鋼拱橋作為一種常用的橋梁結構形式被廣泛應用于我國各地。隨著鋼拱橋的跨度、高度不斷增大，結構形式越來越復雜，其施工難度也越來越大，常規的高空原位拼裝、纜索吊裝等施工方法已經逐漸無法滿足現代鋼拱橋的施工要求，因此產生了很多新的施工方法。鋼拱橋整體豎向轉體施工是一種極具代表性的體系轉換施工方法，可以減少高空作業工作量、大型機械設備的使用和施工措施費用，并可加快施工速度，是一種集經濟性、安全性和時效性于一體的施工方法。

鋼拱橋施工的通常做法是在低位進行拼裝，再利用施工臨時結構對拱肋進行豎向轉體，使拱肋達到設計位置。而豎向轉體施工按照轉體輔助結構特點可分為塔架豎提轉體和三腳架起扳轉體。塔架豎提轉體，輔助結構主要為塔架，需搭設一定高度的塔架，利用塔架將轉體部位豎向轉體到位；三腳架起扳轉體，輔助結構主要是在拱肋上安裝臨時三腳架，利用三腳架和后錨點將轉體部位轉體到位。根據轉體次數可以再進一步分為一次轉體和多次轉體[1-5]。

本文依托某空間異形鋼拱橋，在設計階段提出科學合理的豎向轉體施工方案，并對其豎向轉體施工過程進行分析模擬，驗證該轉體施工方案的可行性，為今后的類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某空間異形鋼拱橋的主橋為拱梁組合體系下承式鋼拱橋。其主跨176 m，拱高50 m，橋寬22.5～23.5 m，鋼箱雙主梁作為剛性系梁承受拉力，2個系梁之間采用橫梁連接，全橋共21對吊索，吊桿下錨點間距為7.8 m，上錨點間距4.8 m（圖1）。

1.2 工程難點

綜合分析本工程的施工條件，可梳理出本工程的幾個難點：

1）通航問題。由于目前現狀老橋航道按Ⅵ級航道考慮；新建工程按河道規劃Ⅳ級航道執行：通航孔凈高7 m，通航孔凈寬120 m，最高通航水位6.32 m。因此整個工程的施工過程不能干擾正常的通航，不可使用大型浮吊。

圖1 空間異形鋼拱橋效果圖

2）老橋安全保證。由于旁邊的老橋與新橋距離較近，新橋修建過程及新橋修建完成之后，老橋依舊會作為主要交通干線發揮作用，故施工過程應盡量避免高空作業，以免對老橋通行車輛的安全造成影響。

3）大質量構件安裝。由于拱肋質量近1 200 t，算上風撐、風撐裝飾、拱肋側面裝飾，總質量可達1 340 t，拱肋最高點可達距離橋面50 m的位置，并且拱肋水平長度達到170 m左右，屬于超高空、大質量、大尺寸的高工鋼結構安裝作業，若使用常規的高空原位拼裝法，起重量較大，就位高度高，施工難度極大。

4）經濟性和工期。作為市政民生工程，該工程要盡可能做到工程總造價低廉，以減小財政負擔，施工工期盡可能短，以盡快服務社會。

1.3 工程方案初選

綜合以上4個工程難點，可以針對鋼拱進行施工方案的初步篩選。

若采用高空原位拼裝法，需在拱肋下方搭設滿堂腳手架，施工措施費高昂且干擾航道通航，不符合通航和經濟性要求；若采用纜索吊裝，拱肋的最高處距離橋面50 m，則需要架設高度超過50 m的纜索，但橋址位于市區，無天然的高纜索架設條件，施工措施費十分高昂，不符合經濟性要求。故可以初步選取先梁后拱、拱肋低位拼裝、豎向轉體就位的施工方法。

由于拱肋高度較高、跨度較大、質量較大，若采用塔架轉體，因拱肋就位位置較高，塔架高度較高，搭設塔架的施工措施費較高，不符合經濟性要求。故拱肋的轉體施工初步選用三腳架起扳轉體。

為了使后錨點反力大小合適，三腳架選用尺寸較大，高度距離橋面30 m的形式，此時傳統三腳架的就位安裝需要借助大型吊裝設備（浮吊等），不符合本工程相應的通航要求。

于是三腳架采用門式鋼架加2道柔性前拉索、1道柔性后拉索的形式，門式鋼架與拱肋通過轉鉸相連接，通過2道前拉索控制轉體過程中拱肋的變形，通過門式鋼架的轉鉸方便三腳架本身的安裝就位，門式鋼架內布置2道交叉拉索，以增強門式鋼架平面內的穩定性。最終創新性地提出了三腳架首先轉體就位，拱肋隨后轉體就位的二次轉體施工方案。

2 豎向轉體施工方案

本工程的鋼拱采用三腳架起扳正角度二次轉體就位的施工方案。本節從轉體施工流程、施工臨時結構、同步轉體技術3個方面來介紹。

2.1 轉體施工流程

鋼拱轉體角度為30°（-1°～29°）。轉體總體布置情況如圖2所示。由于鋼拱左右對稱，可取半結構進行分析闡述。

圖2 大橋整體豎向轉體平面及立面布置

轉體流程（以單側拱肋施工為例）主要分4個階段：

1）臥拼安裝階段。在低位臥拼安裝拱肋、門式鋼架、轉鉸、拉索、油缸等，并對鎖具進行預緊。

2）第1次轉體階段（門式鋼架轉體階段）。對后拉索進行加載，完成門式鋼架的轉體，在過程中調節2根前拉索，并對每根鋼絞線進行預緊，使前拉索每根鋼絞線長度相等。

3）第2次轉體階段（拱肋轉體階段）。將后拉索依次從轉體荷載的0加載至轉體荷載100%，直至拱肋到達設計位置，對拱腳進行對位焊接。

4）合龍卸載階段。另一側拱肋按照上述過程完成施工后，焊接安裝合龍段，卸載前后拉索，拆除門式鋼架。

2.2 施工臨時結構

本次豎向轉體施工臨時結構主要包含了轉體輔助結構三腳架的主要組成部分：門式鋼架和前后拉索，拱肋自身加固措施，為轉體提供反力的后錨點，傳遞橫向內力的橋面梁傳力措施等。后文逐一作介紹。

2.2.1 門式鋼架

三腳架采用高度26 m、上跨6.5 m、下跨16.0 m（中心距）的門式桁架和拉索組合的形式，門式鋼架立桿選用DN1 200 mm×12 mm鋼管，上下橫桿選用DN1 000 mm×10 mm鋼管，為配合三腳架轉體就位，三腳架拉桿全部采用拉索。在門架內側再加2道交叉索，與塔架底部連接，以加強門式鋼架平面內的抗側剛度；門式鋼架與拱肋采用轉鉸進行連接，方便第一次轉體，如圖3所示。

圖3 門式鋼架示意

2.2.2 拱肋整體加固

為保證肋整個拱體在轉體過程中的穩定性和同步性，對拱肋用材質為Q345B的H300 mm×300 mm× 10 mm×15 mm型鋼進行加固。

2.2.3 前后拉索

前拉索總計4束，索材鋼絞線采用36根φ17.8 mm鋼絞線，每束設置500 t油缸，一端通過穿芯油缸支架與錨點耳板相連，另一端通過地錨與門式鋼架連接；后拉索采用4束，索材鋼絞線采用36根φ17.8 mm鋼絞線，每束配置500 t油缸，一端通過穿芯油缸支架與錨點耳板相連，另一端通過地錨支架與門式鋼架連接（圖4）。

圖4 拉索平面、立面布置示意

2.2.4 后錨點

后錨點的臨時結構包含2個部分：后錨點耳板預埋件和橋墩與橋面梁連接措施。

為明確豎向傳力路徑，預埋件在P12橋墩處的橋面梁內預埋，遇到橋面梁空腔部分，需用混凝土將空腔填滿（圖5）。

圖5 后錨點耳板預埋件布置示意

為了將后錨點豎向力傳給橋墩，進而利用樁的抗拔力進行抵消，需對P12橋墩和橋面梁作臨時連接。在橋面梁底部及橋墩頂部預埋錨筋及鋼板，在鋼板上焊接一圈節點板，現場將上下節點板焊接，上下節點板與預埋鋼板在工廠焊接完成，既能夠解決現場誤差問題，又可以減少焊接工作量（圖6）。

圖6 橋面梁與橋墩連接構造示意

2.2.5 橋面梁傳力措施

后錨點的水平力無法靠橋墩承受，若對主橋面梁和引橋面梁的變形縫采取構造措施，使其能夠傳遞壓力，即可將轉體過程的水平力變成橋面梁內力。

將梁上下進行臨時連接，使得該部分在施工過程中能夠傳遞壓力，施工后能夠恢復伸縮功能（圖7）。

圖7 橋面梁連接構造示意

2.2.6 拱肋轉鉸及對應拱肋加勁

拱肋轉鉸分為拱腳轉鉸、壓桿底部轉鉸、鋼絞線轉鉸。其中拱腳轉鉸最為重要，是實現整個轉體施工的重要部位。拱腳轉鉸如圖8所示。銷軸材質采用40Cr鍛造材料，銷軸表面調質處理，HB290—300，倒角均為3。上下鉸設計如圖9所示。

圖8 拱腳轉鉸立面布置

為防止拱肋受到集中力變形，在拱肋轉鉸處，設置內部加勁。拱肋上下轉鉸關系及拱肋內部加勁如圖10所示。拱肋內部，在加勁板對應位置設置2道通長的豎向加勁肋，橫向加勁肋為陰影部分加勁板。

圖9 轉鉸設計

圖10 拱肋內部加勁示意

2.3 同步轉體控制技術

轉體采用計算機控制液壓同步轉體技術，其核心設備采用計算機控制，可以全自動完成同步升降，實現力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等多種功能，是集機、電、液、傳感器、計算機和控制技術于一體的現代化先進施工設備。

主控計算機控制所有油缸統一動作，并且保證各個轉體吊點位置同步：通過設定主令轉體吊點，使得轉體吊點（跟隨吊點）均以主令吊點的位置作為參考來進行調節。這一過程依據油壓傳感器和距離傳感器的數據進行調節。

3 豎向轉體施工力學分析

由于拱肋左右對稱，僅取一側拱肋進行施工力學分析，主要包括整體分析和局部分析。整體分析主要用以驗證轉體輔助結構和拱肋本身在整個轉體施工過程中的安全可靠，局部分析用以驗證局部施工構造在轉體施工過程中的安全可靠。

3.1 整體分析

拱肋轉體過程中整體應力狀況應用SAP2000有限元軟件進行建模并分析計算，對結構整體進行考慮p-Δ效應的非線性分析。因拱肋內部加勁復雜，質量分布不均衡，在實際建模時，對拱肋分段建模，模擬其實際質量及抗彎剛度。前索截面與后索截面根據實際配置的鋼絞線截面進行模擬。

根據GB 51162—2016《重型結構和設備整體提升技術規范》的相關要求，在施工階段，風荷載可考慮8級風（拱肋風荷載取值見表1），不考慮地震荷載作用。選取承載力極限狀態和正常使用極限狀態共計8個工況進行計算。

1）工況1、2：1.35Qs＋Fs1＋Fs2＋1.4Qx。

2）工況3、4：1.35Qs＋Fs1＋Fs2＋1.4Qy。

3）工況5、6：Qs＋Fs1＋Fs2＋Qx。

4）工況7、8：Qs＋Fs1＋Fs2＋Qy。

其中，Qs為自重，Fs1為索預拉力，Fs2為桁架索預拉力，Qx為x向（與橋平行方向）風荷載，Qy為y向（與橋垂直方向）風荷載。

表1 風荷載計算

工況1—4用于計算轉體過程中拱肋及塔架的設計應力、柱腳反力、構件內力、耳板內力等；工況5—8用于計算轉體過程中的位移、標準索力等。

分別對三腳架轉體階段和拱肋轉體階段進行整體分析。定性分析門式鋼架轉體階段的注意事項和受力變化規律；定量分析拱肋轉體階段該狀態下的索拉力、拱肋內力、轉鉸反力、后拉點反力、門式鋼架內力、拱肋合龍處最大位移等。有限元模型如圖11所示。

圖11 SAP2000實體模型

1）三腳架轉體即拱肋和門式鋼架低位拼裝完成后，先通過后拉點將門式鋼架從低位轉體就位。由于門架質量較小，做定性分析即可。但是需要注意門架提起之后隨著角度變大，索力會迅速變小，起扳階段如果直接起扳的話，所需起提力非常大，會很容易由于索力控制不到位引起門架的晃動，十分危險。因此在門式鋼架起扳階段利用焊在門架上的臨時結構增大拉索角度，從而減小起扳力，這樣會使整個起扳過程更加安全。

2）拱肋轉體即拱肋低位拼裝完成、門式鋼架就位后，通過后拉點將拱肋從低位轉體就位。分為初始狀態（-1°）、中間狀態（14°）和最終狀態（29°）。用SAP2000軟件計算得結果，應力比云圖見圖12。拱肋轉體階段三個狀態分析結果見表2。

圖12 拱肋轉體施工三個狀態應力比云圖

表2 拱肋轉體階段三個狀態分析結果

對上述結果進行簡要分析可知，初始狀態（-1°）的拉索索力、轉鉸反力、門架最大應力比、拱肋最大應力比均是整個轉體施工過程中的最大值，且符合規范要求。隨著轉體施工的進行，拱肋重心向轉鉸移動，對應的內力和反力均在局部減小，符合基本力學規律。

由此可見，起提的初始階段為最危險的階段，因此當塔架離開臺架時，需靜置12 h，檢查各部件受力及變形情況，無異常后方可后續操作。

3.2 局部分析

局部分析主要包括轉鉸、吊耳、相應拱肋加勁、后錨點等。因為篇幅原因本文僅以拱腳轉鉸為例進行局部分析（見圖9）。

由整體分析可知轉鉸設計的控制內力為：Fx＝8 129.35 kN；Fy＝708.35 kN；Fz＝9 802.33 kN。根據國家標準GB 50017—2017《鋼結構設計標準》的相關要求進行轉鉸驗算。

3.2.1 耳板孔壁承壓驗算

計入貼板作用，分配到單片耳板上的總壓力為：F＝N＝（8 1292＋9 8022）1/2＝12 734 kN，A0=d＝300×（40＋40＋40）＝36 000 mm2，σ＝F/A0＝12 734 000/（36 000×2）＝176.9 N/mm2＜fd＝400 N/mm2。

3.2.2 銷軸抗剪驗算

d＝300mm，Q＝T/2＝6 367 kN，τ＝4Q/（3A）＝（4×6 367 000）/（3×0.25π×3002×2）＝60.05 N/mm2＜fvd＝170 N/mm2，根據計算結果可見轉鉸設計滿足轉體過程中的受力要求。其余的局部分析均可按此方法逐一進行設計驗算，以保證轉體施工過程中各個局部節點的安全，過于復雜的受力節點還可以建立精細化實體模型（利用Abaqus等有限元軟件）進行分析計算。

4 結語

本文基于某空間異形鋼拱橋的工程特點和難點，提出了一種適用于此橋的三腳架起扳正角度二次轉體就位施工方案。此施工方法可以最大限度地減少高空作業，保障航道通航，同時相比傳統施工方法能夠減少工期和施工措施費。文章針對此施工方案的整體和局部進行了施工力學分析，驗證了其可行性，為今后類似工程的施工提供了借鑒。