下承式鋼桁架拱肋施工技術(shù)優(yōu)化分析

姚 青，徐偉忠，李清嶺，馬海英

[1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065；2. 同濟大學，上海市 200092]

0 引言

鋼桁架拱橋造型美觀、跨越能力強，具有良好的景觀效應。隨著我國鋼材質(zhì)量和產(chǎn)量的提高，未來修建大跨度鋼桁架拱橋具有良好的前景。拱橋的常見施工方法主要有拱架施工、纜索吊裝施工、塔架斜拉索施工、轉(zhuǎn)體施工和整體吊裝施工[1-2]。

拱架施工一般應用于沒有河道通航要求或道路通行要求較低的橋梁。這種施工方法的優(yōu)點是體系的受力較明確，施工技術(shù)較成熟，不需要動用大型吊裝設備，且較容易安裝橫撐、斜撐和控制其拱軸線，施工過程簡單[3]。這種施工方法的缺點是支架法較小的拱肋分段，也導致拱肋接頭較多，所以焊接的工作量較大，工期較長，且支架施工法對橋梁下面的地形地貌、地基情況有著較高的要求，不適合大跨徑橋梁的施工，只能用于小跨徑、拱肋離地面不高、不通航或通航要求不高、橋下無水或水位不深、施工條件較好的情況[3]。

纜索吊裝施工是拱橋無支架施工方法之一[4]。纜索架橋設備由于具有跨越能力大、水平和垂直運輸機動靈活、適應性廣、施工也比較穩(wěn)妥方便等優(yōu)點，尤其在修建大跨徑或連續(xù)多孔的拱橋中，更能顯示這種施工方法的優(yōu)越性。但是，纜索吊裝施工要求施工設備較多，對施工的技術(shù)要求較高，而且用的材料也要增加。塔架斜拉索施工也是一種無支架的施工方法。這是國外采用最早、最多的大跨徑鋼筋混凝土拱橋無支架施工的方法[2]。塔架斜拉索法一般多采用懸澆施工，也可用懸拼法施工，但后者用得較少。

拱橋轉(zhuǎn)體施工是一種適合單跨拱橋的施工方法[5-6]。拱橋的轉(zhuǎn)體施工法，根據(jù)其轉(zhuǎn)動方位的不同，可分為豎向轉(zhuǎn)體、平面轉(zhuǎn)體和平豎結(jié)合轉(zhuǎn)體3 種。轉(zhuǎn)體施工法避免了有支架法無法用于山谷和深水地形的情況，減少了高空作業(yè)，施工速度快，費用低。同時提高了橋梁的安全性，確保了橋梁的施工質(zhì)量。但是轉(zhuǎn)體施工法也有明顯的缺點，即施工跨徑不能過大；否則會造成施工難度增大、經(jīng)濟效益下降[7]。

整體吊裝施工適用于下承式與中承式鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)方案[8]。整體吊裝法的優(yōu)點有：不在水中設臨時支架、不影響通航，無水中支架費用；充分發(fā)揮鋼管拱的作用，完成上部結(jié)構(gòu)施工；適用下承式與中承式拱式組合橋。整體吊裝法也有缺點：節(jié)段過長需要大型起吊設備，吊裝過程中的安全和穩(wěn)定問題突出。

關(guān)于運用有限元軟件進行拱橋施工方法的研究，郭玉龍[9]利用Midas 軟件建立了納界河鋼桁架拱橋的有限元模型，研究了懸臂拼裝過程中索力的控制；彭小明[10]利用Midas 軟件建立了重慶朝天門大橋懸臂施工的有限元模型，進行了橋梁運營狀態(tài)下的靜力分析；王德洪[11]利用橋梁博士軟件模擬了某大跨度鋼桁架拱橋架梁吊機的施工過程，進行了相關(guān)施工控制分析；劉旭[12]利用ANSYS 軟件建立了橫琴二橋懸臂施工的有限元模型，研究了施工過程中索力和壓重控制。

本文采用Midas 軟件進行建模分析，對不同施工方法的拱肋結(jié)構(gòu)性能進行研究，比較長節(jié)段吊裝施工的優(yōu)勢，可為拱肋快速化施工提供參考。

1 工程概況

本項目背景工程平申線航道（上海段）整治亭楓公路橋工程主橋為分離式兩幅橋布置，先施工北幅新橋、老橋維持交通，北幅新橋建成后拆除老橋再建設南幅新橋。主橋為30 m+120 m+30 m 下承式連續(xù)鋼桁架拱橋，分離式兩幅橋布置并在兩幅橋中間設置人行道，橋?qū)?×18.25 m+3.15 m。每幅橋有兩榀桁架，桁架間采用5 道風撐連接。橋面梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，兩者通過剪力釘結(jié)合。其中，縱向系梁、橫梁和小縱梁共同組成鋼梁格體系。拱肋和主梁施工方案的選擇直接影響成橋后橋梁的安全使用及壽命。橋梁整體模型渲染圖如圖1 所示。

圖1 亭楓公路橋模型渲染圖

本文以亭楓公路橋為背景，通過綜合對比不同施工方法對成橋狀態(tài)的影響，以及施工成本、周期等內(nèi)容，選擇適合本跨徑的施工方法，并對相似跨徑的鋼桁架拱橋提供借鑒。

2 有限元建模

結(jié)合項目背景，為了防止對河道的通航產(chǎn)生影響，現(xiàn)初步擬定3 種拱肋施工方案，分別為整體吊裝施工、平面轉(zhuǎn)體施工和長節(jié)段吊裝施工。在Midas 軟件中建立3 種拱肋施工方案的有限元模型。

2.1 整體吊裝施工

整體吊裝的施工方法是首先在河岸兩端滿堂支架對邊跨進行施工，之后將預制好的拱肋運至相應部位后進行整體吊裝；拱肋施工完成后張拉臨時系桿，之后進行橋面系鋼結(jié)構(gòu)的施工；最后安裝橋面板。在進行有限元建模的過程中，拱肋施工的主要步驟有：（1）邊跨施工；（2）拱肋整體吊裝到位；（3）拱肋合龍；（4）張拉臨時系桿；（5）拆除臨時支撐。整體吊裝施工拱肋的施工示意圖如圖2 所示。

圖2 整體吊裝拱肋施工示意圖

2.2 平面轉(zhuǎn)體施工

平面轉(zhuǎn)體的施工方法是首先將邊跨平行于河岸滿堂支架施工；其次，將拱肋在岸邊施工完成后，先在豎平面內(nèi)轉(zhuǎn)動至指定高度與邊跨連接，再將拱肋和邊跨一起轉(zhuǎn)動至指定位置，左右兩個懸臂段全部旋轉(zhuǎn)到位后進行合龍施工；合龍后張拉臨時系桿，之后進行橋面系鋼結(jié)構(gòu)的施工；最后安裝橋面板。在進行有限元建模的過程中，拱肋施工的主要步驟有：（1）邊跨施工；（2）兩側(cè)拱肋對稱施工；（3）繞拱腳旋轉(zhuǎn)到位；（4）拱肋合龍；（5）張拉臨時系桿；（6）拆除臨時支撐。平面轉(zhuǎn)體拱肋施工示意圖如圖3 所示。

圖 平面轉(zhuǎn)體拱肋施工示意圖

2.3 長節(jié)段吊裝施工

與整體吊裝不同，長節(jié)段吊裝的施工方法可以先滿堂支架施工邊跨部分，之后在通航孔的兩側(cè)設置臨時支架，直接搭設部分拱肋；將通航孔上方的拱肋在工廠預制好后，將兩側(cè)拱肋分別吊裝至指定位置后，將它們與之前搭設好的拱肋相連，并加裝拱頂?shù)娘L撐；合龍后張拉臨時系桿；之后進行橋面系鋼結(jié)構(gòu)的施工；最后安裝橋面板。在進行有限元建模的過程中，拱肋施工的主要步驟有：（1）邊跨施工；（2）懸臂段施工；（3）節(jié)段吊裝到位；（4）拱肋合龍；（5）張拉臨時系桿；（6）拆除臨時支撐。長節(jié)段吊裝拱肋示意圖如圖4 所示。

圖4 長節(jié)段吊裝拱肋施工示意圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 反力

表1 是3 種施工方法下反力大小和相關(guān)設備使用情況的對比。

表1 反力對比

通過3 種施工方法的對比可以看出，平面轉(zhuǎn)體施工的支點反力較大，且采用的設備不同于吊裝施工。兩種吊裝施工方法中，整體吊裝施工由于反力較大，需要采用設備數(shù)量更多、起重重量更大的浮吊。

在施工組織方面，平面轉(zhuǎn)體施工在豎平面轉(zhuǎn)動和平面轉(zhuǎn)動的過程中需要2 臺卷揚機同時工作，保證拱肋不會扭轉(zhuǎn)；在合龍過程中需要4 臺卷揚機同時工作，保證兩側(cè)拱肋高度相同。整體吊裝過程中，拱肋上一共有8 個吊點，需要4 臺浮吊同時進行吊裝。長節(jié)段吊裝過程中，只需要2 臺浮吊同時吊裝就可以完成施工過程的要求。

在施工成本方面，平面轉(zhuǎn)體因為塔架需要現(xiàn)場施工且不能循環(huán)利用，因此前期投入會很大。吊裝施工的設備都可以通過租賃獲得，與長節(jié)段吊裝相比，整體吊裝每臺浮吊的起重質(zhì)量大于長節(jié)段吊裝浮吊的起重重量，并且整體吊裝需要的浮吊數(shù)量是長節(jié)段吊裝的2 倍。因此，整體吊裝施工時，拱肋的施工成本是長節(jié)段吊裝施工的2 倍以上。

在施工周期方面，平面轉(zhuǎn)體施工由于拱肋自重較大，旋轉(zhuǎn)速度較慢，一般需要用時10 d 左右。整體吊裝施工由于吊裝部分自重較大，吊裝速度較慢，吊裝過程大致需要2～3 d。長節(jié)段吊裝施工充分利用河道通航孔的信息，最大程度減輕了吊裝重量，吊裝過程可以縮短至1～2 d。

3.2 位移

結(jié)構(gòu)的位移分為絕對位移和相對位移。結(jié)構(gòu)的絕對位移是指結(jié)構(gòu)各部分相對于原始結(jié)構(gòu)的位移，主要影響成橋后拱肋的形狀。結(jié)構(gòu)的相對位移是指將要連接起來的兩部分結(jié)構(gòu)之間的相對位移，主要對結(jié)構(gòu)的合龍狀態(tài)產(chǎn)生影響。

3.2.1絕對位移

表2 是結(jié)構(gòu)絕對位移數(shù)值和最大絕對位移產(chǎn)生的階段和位置的對比。

表2 絕對位移對比

通過3 種施工方案下結(jié)構(gòu)絕對位移的對比可以看出，3 種施工方案拱肋施工過程中的最大豎向位移均發(fā)生在跨中附近，平面轉(zhuǎn)體施工的豎向位移比另外兩種施工方法稍大一些，長節(jié)段吊裝施工與整體吊裝施工豎向位移相差不大。

3.2.2 相對位移

表3 是結(jié)構(gòu)相對位移數(shù)值和最大絕對位移產(chǎn)生位置的對比。

表3 相對位移對比

通過3 種施工方案下相對位移的對比可以看出，平面轉(zhuǎn)體施工由于施工過程中體系轉(zhuǎn)換的不同，會造成較大的相對位移；長節(jié)段吊裝施工的相對位移比整體吊裝施工的相對位移大。

3.3 內(nèi)力

表4 是結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最大值及最大值出現(xiàn)的階段及位置的對比。

表4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

由上面數(shù)據(jù)對比可得，上弦桿最大負彎矩整體吊裝與長節(jié)段吊裝相差不大，均大于平面轉(zhuǎn)體施工；最大正彎矩整體吊裝與長節(jié)段吊裝相差不大，均小于平面轉(zhuǎn)體施工。下弦桿最大負彎矩整體吊裝施工最小，平面轉(zhuǎn)體和長節(jié)段吊裝相差不大；最大正彎矩平面轉(zhuǎn)體施工最大，整體吊裝與長節(jié)段吊裝相差不大。

3.4 應力

3.4.1 施工階段應力

對于整體吊裝來說，拱肋的施工過程包括邊跨施工、整體吊裝2 個階段。在這個2 個階段中，應力最大值出現(xiàn)在吊裝的過程中，位置位于風撐上，最大拉應力為26.8 MPa，最大壓應力為26.4 MPa。

對于平面轉(zhuǎn)體來說，拱肋的施工過程包括邊跨的施工、拱肋的張拉和整體的轉(zhuǎn)動3 個階段。在這3個過程中，應力最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)動的過程中，最大拉應力為68.8 MPa，最大壓應力為52.1 MPa。

對于長節(jié)段吊裝來說，拱肋的施工過程包括邊跨施工、懸臂段的安裝和長節(jié)段的吊裝3 個階段。在這3 個階段中，應力最大值出現(xiàn)在懸臂段的安裝過程中，最大拉應力為41.7 MPa，最大壓應力為28.3 MPa。表5 為3 種施工方案在拱肋的施工階段出現(xiàn)的最大應力的對比。

表5 施工階段應力對比

通過對3 種施工方案的施工過程結(jié)構(gòu)應力的對比可以看出，平面轉(zhuǎn)體施工在施工過程中應力最大，整體吊裝施工在施工過程中應力最小。

3.4.2 合龍階段應力

對于整體吊裝來說，可以將合龍、張拉臨時系桿和拆除臨時支撐作為拱肋合龍的過程。在這3 個過程中，最大拉應力出現(xiàn)在拆除臨時支撐的過程中，最大拉應力為28.6 MPa，最大壓應力出現(xiàn)在合龍的過程中，最大拉應力27.3 MPa。

對于平面轉(zhuǎn)體來說，可以將合龍、張拉臨時系桿和拆除臨時支撐作為拱肋合龍的過程。在這3 個過程中，最大拉應力出現(xiàn)在合龍的過程中，最大拉應力為42.6 MPa；最大壓應力出現(xiàn)在合龍的過程中，最大拉應力38.8 MPa。

對于長節(jié)段吊裝來說，可以將合龍、張拉臨時系桿和拆除臨時支撐作為拱肋合龍的過程。在這3 個過程中，最大拉應力出現(xiàn)在合龍的過程中，最大拉應力為40.1 MPa；最大壓應力出現(xiàn)在合龍的過程中，最大拉應力39.4 MPa。

表6 為3 種施工方案在拱肋的合龍階段出現(xiàn)的最大應力的對比。

表6 合龍階段應力對比

通過對3 種施工方案合龍過程中的應力進行對比，整體吊裝施工合龍過程中應力最小，平面轉(zhuǎn)體施工和長節(jié)段吊裝施工合龍過程應力差別不大。

3.4.3 成橋狀態(tài)應力

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果可以得到，整體吊裝施工成橋后最大拉應力為119.7 MPa，最大壓應力為119.2 MPa； 平面轉(zhuǎn)體施工成橋后最大拉應力為120.2 MPa，最大壓應力為121.7 MPa；長節(jié)段吊裝施工成橋后最大拉應力為119.8 MPa，最大壓應力為120.6 MPa。

表7 為3 種施工方案在拱橋的成橋狀態(tài)下出現(xiàn)的最大應力的對比。

表7 成橋狀態(tài)應力對比

通過對3 種施工方案成橋后應力狀態(tài)的對比，3種施工方案成橋應力大小差別很小。

4 結(jié)論

根據(jù)結(jié)果對比，可以得出以下結(jié)論：

（1）在成橋應力方面，3 種施工方案的成橋應力相差不超過5%，可以認為施工方案的選擇不會對成橋應力產(chǎn)生影響。

（2）轉(zhuǎn)體施工時拱肋的位移較大，其他2 種吊裝施工方法施工過程中拱肋位移相差不大，優(yōu)先選用吊裝施工方法。

（3）3 種施工方法施工過程中內(nèi)力變化不同，但極值相差不大。

（4）3 種施工方法在施工反力上的差別導致了在施工設備、施工組織、施工成本和施工周期等方面產(chǎn)生的差別。其中，長節(jié)段吊裝施工具有較為明顯的優(yōu)勢，是本橋快速化施工的優(yōu)勢方案。