切向頂推工法對鋼桁梁拱組合體系橋梁建造的適用性研究

趙品毅

中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司 重慶 400023

1 概述

1.1 研究現狀

目前我國鐵路已建成或在建十余座鋼桁梁-拱組合體系橋梁，國外也存在部分工程案例。

該類型橋梁一般采用先梁后拱的施工工序。主拱常用的施工方法有豎轉施工、原位支架拼裝施工。豎轉施工拱肋采用低位支架臥拼，通過豎轉體系轉體到位合龍，該施工方法廣泛使用于國內鐵路拱橋施工，京滬高速鐵路濟南黃河大橋、合福鐵路南淝河特大橋、福廈鐵路閩江特大橋、廈深鐵路榕江特大橋、滬通長江大橋天生港航道專用橋等均采用該施工方案[1-3]；原位支架拼裝通過搭設高度與拱高相匹配的支架，拱肋分節段預制、吊裝到位后，現場對接及焊接節段縫，該施工方法亦廣泛使用于國內鐵路拱橋施工。

1.2 問題的提出

根據我國鐵路橋梁結構受力特點及建設實踐，通常在橋梁跨度大于200 m的情況方考慮采用該結構形式；而上承式拱橋矢跨比（主拱高度與跨度的比值）一般為1/5～1/4，即主拱高度不小于40 m，施工過程中存在高空作業規模大、范圍廣、難度大、風險高的問題。

豎轉施工拱腳需設置豎轉鉸，扣索端部需錨固在上弦桿端部，構造復雜；為保證豎轉扣塔順利進行，豎塔高度需高于主拱，而豎轉扣塔復雜的豎轉設備需設置在扣塔頂部，施工過程中施工人員需不斷在爬至扣塔頂部、以檢查和保證扣塔及轉設備的正式運轉，該方案需進行大量高空高難度作業，施工難度大，施工風險高，對施工人員技能要求高。

原位支架拼裝施工需要在高位支架上開展長時間、大面積的工作，大型機械設備需進入橋梁進行吊裝作業，施工人員需長時間地處于高空支架作業，以保證鋼結構吊裝到位以及后期的節段縫精準焊接，施工難度大，施工風險高，對施工人員技能要求極高。

因此秉承以人為本、同時減少施工風險和保證施工施工質量的原則，提出主拱切向頂推施工工法。

2 設計要點

2.1 工程背景

本項目連接重慶市主城區與南川區、武隆區、彭水縣、黔江區等地，是建立重慶主城、渝西片區及渝東南片區之間的重要交通基礎設施。線路自重慶樞紐重慶站引出，途經重慶市的渝中區、南岸區、巴南區、南川區、武隆區、彭水縣、黔江區，與在建的黔張常鐵路貫通。線路正線全長約269.506 km。

清水坪烏江大橋是新建重慶至黔江高速鐵路的控制性工程，位于重慶市彭水苗族土家族自治縣境內，上跨長江一級支流烏江，距烏江口129.5 km。主橋采用(96+240+96) m鋼桁梁柔性拱組合體系，為國內首座采用雙Y型單拱肋的鋼桁梁柔性拱組合體系橋梁，設計速度為350 km/h，設計荷載為ZK活載，采用無砟軌道結構形式。

主桁橫向采用兩片主桁、無豎桿三角桁式，桁高14 m，主桁中心距14 m，節間長度12 m。主跨設20個節間、邊跨設8個節間，邊支點中心距梁邊緣為界1 m，主橋全長434 m。加勁拱采用雙Y型單拱肋，在拱腳位置分為兩肢，分肢長度24 m。計算跨徑L=228 m，設計矢高f=45.6 m，矢跨比f/L=1/5；拱軸線為圓弧線，半徑165.3 m。主橋孔跨布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置示意圖（單位:cm）

主桁采用懸臂拼裝進行施工，主桁施工完成后進行主拱的施工。

2.2 主要施工要點

主拱采用切向頂推施工時，由拱腳向拱頂頂推。首節拱肋及導梁拼裝完成后通過頂推平臺向上頂推至預定位置后臨時鎖定；撤回千斤頂，在空出的臺座低位區安裝與相鄰拱段，并完成固結。重復上述步驟直至所有節段頂推至設計位置。拆除千斤頂，在拼裝平臺上繼續拼裝剩余節段，固結拱腳，形成無鉸拱。主要施工步驟如圖2所示。

圖2 主要施工步驟圖

2.3 切向頂推對橋梁結構的要求

為保證頂推設備與不同拱段的匹配性，各拱段曲率應相同，故采用切向頂推施工的主拱抽拱線應為圓曲線。

2.4 方案比選

結合拱肋結構特征，對主拱采用豎向頂推施工、豎轉施工及原位支架拼裝施工進行了比選，詳見表1。切向頂推施工相對于其它兩種施工方案可避免大規模的高空高難度作業，同時施工費用相對較低，可有效提高施工質量與施工效率。

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3 主要施工步驟

(1) 進行施工準備，完成便道施工。施工橋墩基礎及橋墩(臺)，同時在主橋兩側設置預拼場。基礎采用旋挖鉆或旋轉鉆機施工，橋墩采用爬模施工。主墩兩側、小里程側交界墩及次邊墩設置墩旁支架，大里程側橋臺位置搭設支架。在主桁上弦安裝梁上架梁吊機。

(2) 以兩主墩為中心向兩側對稱懸拼鋼桁梁,滯后兩節間安裝下橫梁、上平聯。分別在小里程側邊墩上采用墩旁支架無應力合龍主桁，大里程側橋臺位置采用支架無應力合龍主桁。

(3) 拆除墩旁支架和托架,激活永久支座，保持主墩支座順橋向約束。在靠近邊支座的兩節間之間壓重200 kN/m。主墩繼續向主跨中心懸拼至最大懸臂。

(4) 通過交界墩梁端下落，大里程側梁體往跨中縱移，將跨中鋼梁梁端合龍點的位移、轉角偏差調整到安裝精度要求范圍之內，之后按桿件理論長度完成鋼桁梁合龍。

(5) 合龍主跨，解除主墩臨時鎖定。拆除吊機等梁上施工設備。

(6) 主拱采用豎向頂推施工。在主桁上方搭設頂推拼裝平臺、滑道梁、臨時支墩以及滑塊等頂推設施。在拼裝平臺的低位區拼裝節段一，在高位處拼裝導梁。沿拱肋曲線向上頂推節段一至預定位置并臨時鎖定；撤回千斤頂，在空出的臺座低位區安裝與節段一在拱腳側相鄰的節段二，并完成固結。重復上述步驟直至所有節段推至設計位置。拆除千斤頂，固結拱腳，形成無鉸拱。主要過程如下：

步驟一：主拱采用豎向頂推施工。在主桁上方搭設頂推拼裝平臺、滑道梁、臨時支墩以及滑塊等頂推設施；在拼裝平臺的低位區拼裝拱肋分支節段一和單拱肋節段二，在節段二高位處拼裝導梁。其中拱肋支架頂不僅承受豎向力，還有滑塊徑向力產生的水平分力，故支架結構設計時應特別注意； 支架結構的設計應特別注意檢算支架重量及分布位置對主桁結構受力的影響，以免出現支點附近上弦桿拉應力超標、跨中附近上弦桿和H腹桿失穩。

步驟二：沿拱肋曲線向上頂推節段二至預定位置并臨時鎖定。其中：設計文件中頂推長度范圍內的拱肋按八個節段繪制，施工過程中節段長度及分縫位置由鋼結構廠家及主體施工單位共同確定，并經設計單位確認。尤其節段二和節段三頂推過程懸臂長度相對于后方段落偏長，在導梁未到達支點前存在傾覆的危險，施工單位施工前應協調監理單位細化拱肋拼裝方案，保證施工過程中的穩定性。

步驟三：撤回千斤頂，在空出的臺座低位區安裝節段三，并完成固結。

步驟四：沿拱肋曲線向上頂推節段二和三至預定位置并臨時鎖定；其中設計文件中頂推長度范圍內的拱肋按八個節段繪制，施工過程中節段長度及分縫位置由鋼結構廠家及主體施工單位共同確定，并經設計單位確認。

步驟五：重復步驟九和十,沿拱肋曲線向上頂推節段二~九至預定位置并臨時鎖定。

步驟六：撤回千斤頂，在空出的臺座低位區安裝拱肋分支節段十，并完成固結，形成無鉸拱。

(7) 拆除頂推拼裝平臺、滑道梁、臨時支墩以及滑塊等頂推設施，張拉吊桿。

(8) 根據設計要求，分區域澆筑混凝土面板。

4 頂推過程中主拱主要受力特點

采用MIDAS CIVIL軟件建立了主拱切向頂推全過程有限元模型，對頂推過程中的主要受力情況進行了模擬分析。本文重點列舉了小節段頂推過程中主拱的受力情況，如圖3所示。主拱施工過程中主要受力特點如下：

圖3 主要施工步驟圖

(1) 頂推施工過程中主拱跨度相較合龍狀態跨度小，主拱截面內力小、應力水平低，非方案控制因素。

(2) 頂推節段長度較小時，由于懸臂段長度相對后錨段長度較長，因此需要細化頂推工藝、加密臨時支座間距，確保頂推過程中拱肋的整體穩定性。

頂推節段劃分影響拱肋制作節段長度，因此設計過程中應充分考慮主拱頂推過程中的整體穩定性，合理劃分節段長度，確保頂推方案可行。

5 結語

經研究，通過調整主拱拱軸線為圓曲線、該施工工法可行；同時對主拱頂推過程的受力情況進行了研究，結果表明應重點關注頂推過程中主拱的抗傾覆能力。本文的研究成果可大大降低鋼桁梁拱組合體系橋梁主拱施工過程中的高空作業量，以保證施工安全和施工質量，對同類梁拱組合橋梁的建設具有一定的參考意義。