有平衡重轉體施工上承式砼箱型拱橋設計

郭小平,駱鵬

（中國瑞林工程技術股份有限公司,江西南昌 330038）

有平衡重轉體施工把高空吊裝、懸拼，水上作業轉化為岸邊陸地上傳統常規的土建作業，無需大型施工設施，特別適用于山區施工困難條件下修建拱橋。之前，國內采用有平衡重轉體工藝建造的最大跨度公路鋼筋混凝土箱型拱橋為四川巴東橋，凈跨徑為183 m，湖北恩施鶴峰縣南渡江大橋將此類橋型的最大凈跨度推進到190 m。

1 項目概況

湖北恩施鶴峰縣南渡江大橋跨越南渡江(U字形峽谷)，橋全長為272.276 m，橋寬為10 m，橋高為163 m。橋跨布置為2×18.6 m(引橋)+204.6 m(主橋)＋25.0 m(引橋)。其中，主橋為凈跨190.0 m上承式鋼筋砼箱型拱橋，拱上建筑為11孔裝配式預應力砼簡支小箱梁橋，每孔跨度為18.6 m，兩岸引橋也為裝配式預應力砼簡支小箱梁橋。橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置

2 有平衡重轉體施工設計

主橋主拱圈結構采用有平衡重轉體施工。要想取得拱橋轉體施工成功，設計須做到正確的施工工序設計、正確的轉動體系設計和可靠的轉動設施和細部構造設計。下文從這三個方面對該項目施工設計進行分析。

2.1 施工工序

平轉施工可分為有平衡重轉動施工與無平衡重轉體施工。國內首次于1984年結合巫山縣龍門橋(跨徑122 m)進行了拱橋無平衡重轉體施工工藝的研究，1988年7月又采用該工藝建成了200 m涪陵烏江大橋。無平衡重轉體施工雖能較大地減輕轉體重量，節省橋梁用材，但施工工藝精度要求較高、施工措施復雜、施工安全風險大，后期并未得到推廣。有平衡重轉體施工工藝因其施工安全、工藝相對簡單，得到廣泛應用。

本橋采用有平衡重轉體施工，其主要施工工序為：1）根據地形確定合理轉動體系制作軸線，制作轉動體系;2）將兩岸的轉動體系轉體到位并合攏成拱；3）在合攏成拱后的第1期拱圈結構上進行后期無支架加載施工，逐漸形成設計斷面的主拱圈；4）拱上搭設支架對稱澆筑拱上立柱及蓋梁，對稱吊裝拱上小箱梁，施工橋面系結構。

2.2 轉動體系設計

轉動體系（圖2）包括下盤基礎上的下球鉸(磨心)、環道、環道兩側的預留孔洞，上轉盤及其中的上球鉸（磨蓋）、倒錐體、撐腳、拱座，交界墩背墻，扣索和背索，轉出的半跨橋體。上下盤之間留有1 m高的間隙供轉體時人員操作，上下盤之間不預留鋼筋焊接成一體。交界墩背墻可以是空心墩，也可以是實心墩。它不僅是交界墩、平衡重，還是扣索的反力墻。

圖2 轉動體系構造

2.2.1 轉出的半跨橋體

選擇帶砼底板的小直徑鋼管勁性骨架與鋼筋混凝土雙肋薄壁閉口箱兩種類型進行比選。帶砼底板的小直徑鋼管勁性骨架轉體重量輕、材料用量少、造價低，除鋼結構加工、運輸略有不便外，其它結構的施工較鋼筋混凝土雙肋薄壁閉口箱簡易，且成拱后，拱的整體性更好。因此，最終轉出的橋體采用帶砼底板的小直徑鋼管勁性骨架，見圖3。轉出橋體采用了3榀勁性骨架結構，間距3.4 m，上弦主鋼管直徑377 mm，壁厚10 mm，腹桿及橫向連接桿件均采用角鋼。

圖3 轉出橋體構造

2.2.2 上轉盤及交界墩背墻

上轉盤連接交界墩與轉出的橋體通過球鉸支承在基礎上，相當于單支點托住一端轉出的橋體與另一端平衡重交界墩，受力較大。上轉盤厚4 m，設置縱橫向雙向預應力，使其全斷面受壓，確保安全。交界墩高約40 m，采用空心墩，外尺寸為9 m×4 m，壁厚0.7 m，沿高度方向9.4 m間距處設置1道1 m厚實心隔板。

2.2.3 扣索和背索

扣索由68束單根鋼絞線組成，采用Φs=15.2 mm，fpk=1 860 MPa的鋼絞線，每根鋼絞線最終的設計張拉力為97 kN。實踐表明，這種做法有利于分散拱頂錨固力，錨固均勻、可靠。

背索選用32束鋼絞線，設在背墻頂端中部和上盤尾端下部之間。每束鋼絞線12根，每束背索最終設計張拉力為2 031 kN。實踐表明，這樣設置的背索傳力受力可靠。

扣索與背索穿過砼結構區域都預埋鋼管，要求待張拉脫架前再穿索張拉，不要在澆筑砼的同時預埋鋼索，以避免鋼索長期外露銹蝕。為確保交界墩背墻的安全，扣索及背索張拉時要求分五級對稱交替張拉到位再實現脫架。由于張拉設備輕便，張拉操作方便，1個轉動體系4～6 h即可完成轉體。

2.2.4 球鉸及環道

本橋轉動體系質量6 006 t，采用C50普通鋼筋混凝土球鉸(圖4)，直徑2.6 m。相比鋼球鉸，普通鋼筋混凝土球鉸制作工藝簡單，成本低廉，使用可靠，轉動平穩、靈活。目前，國內運用普通鋼筋混凝土球鉸轉過最重的轉動體系質量為9 000 t，球鉸直徑3.5 m，為2012年4月建成的蘇州吳江跨高速公路立交橋。該工藝基于“中心承重轉體”的設計構思，不用精密加工的鍍鉻鋼板和不銹鋼板組成的鋼環道，而是只需直接在下盤頂面環道位置將混凝土道面標高誤差控制在2 mm內，并打磨光滑即可，環道寬度1 m，環道以外下盤頂面標高要求控制在2.0 cm內。

圖4 砼球鉸構造及配筋

2.3 轉動設施細部構造設計

2.3.1 上轉盤細部構造設計

目前，常規設計上轉盤構造見圖5，本橋上轉盤構造見圖6。鑒于以往經驗，施工時部分轉動體系重心向轉出橋體側偏移，基于“中心承重轉體”的理念，需用千斤頂頂上盤前緣及撐腳以平衡重心前移的偏心距，以便進行轉動體系復位及相應調整主拱標高。由圖5可以看出，常規設計上盤前緣距離球鉸中心的距離較近，千斤頂作用力臂較短，故轉動體系復位需較大作用力。而本橋設計加大了上盤前緣距離球鉸中心的距離，同時對應增加了沿環道方向撐腳的距離，將其由0.5 m加大到0.8 m。并且原先只在距離撐腳下0.6 m范圍外包鋼板，現改為整個撐腳均外包1.6 mm鋼板。撐腳作為千斤頂驅動轉體的作用點，本次對撐腳的設計提高了其強度及抗裂性能。

圖5 常規設計上轉盤構造

圖6 本項目上轉盤構造

2.3.2 勁性骨架細部構造設計

鑒于拱腳段桿件內力較大，拱腳附近斜腹桿采用交叉腹桿(圖3)。為加強腹桿平面外的穩定，受力較大的拱腳區域(1/8拱長)、拱頂扣索錨固區域(1/8拱長)腹桿增焊了鋼筋，加大單桿件的抗彎剛度，以增強該區域腹桿穩定，如圖7所示。

圖7 腹桿焊接鋼筋大樣

3 橋梁計算

本橋主要進行了以下計算：1）轉動體系質量及重心位置計算；2）各施工階段及成橋主拱整體及局部構件穩定、強度、裂縫、變形計算；3）扣索、背索應力計算；4）交界墩的強度及裂縫計算；5）上轉盤強度及應力計算。轉動體系重量是轉體體系設計的重要指標，重心位置的計算是確保實現“中心承重轉體”的思想的關鍵。轉體階段勁性骨架的穩定計算以及各階段主拱的計算要求與其它拱橋計算類似。扣索與背索、交界墩、上轉盤的計算與轉體工藝息息相關，扣索、背索張拉時要控制背墻、上盤各斷面的應力狀態和背墻頂部位移，盡量讓背墻處于全過程均勻受壓。上轉盤設計了雙向預應力，要求砼有一定的壓應力儲備。

4 結語

南渡江大橋于2015年7月開工建設，2018年7月30日正式通車。本橋采用有平衡重轉體施工很好地解決了山區低等級公路中特大跨度橋梁施工困難的難題。該工藝安全又經濟，既保證了質量，又方便了施工，獲得良好的社會、經濟效益。本橋作為國內目前用有平衡重轉體工藝建造的最大跨度的公路鋼筋混凝土箱型拱橋，其設計思路可作為同類橋址修建大跨度橋梁提供借鑒。