大跨徑組合梁橋移動懸索支架設計施工技術

郭卓明

[上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065]

0 引言

20世紀30年代至今，鋼-混組合結構橋梁在經歷了幾個重要發展階段后[1]，目前已經在國內外得到了非常廣泛的應用。

特別是近二十年以來，國內鋼-混組合結構橋梁發展勢頭迅猛，一方面在跨徑上刷不斷新紀錄，濟南鳳凰黃河大橋跨黃河大堤鋼-混組合梁橋跨徑已達245 m[2]，另一方面在常規跨徑鋼-混組合梁的經濟性上也走在了國際前列[3]。

設計與施工的緊密結合讓國內鋼-混組合結構橋梁的建設取得了顯著的進步，后期在技術上進一步的提高和發展也依然需要從設計與施工高度融合的中深挖潛力。

1 鋼-混組合梁橋設計與施工技術

設計上充分發揮各自材料的性能優點和施工方法的靈活便捷是鋼-混組合結構兩大核心優勢。

1.1 鋼-混組合結構橋梁設計技術

鋼結構焊接技術的應用和鋼混連接技術的成熟為組合橋梁結構的蓬勃發展提供了有力的保障[1]，經過長期的工程實踐和科學研究，栓釘連接、開孔板連接技術以及考慮溫度、收縮徐變影響等方面在設計、計算方法上都日趨成熟可靠。因此，自20世紀80年代至20世紀末，歐洲、日本和美國等國家均逐步將組合機構橋梁的設計與計算、構造與布置和建造方法等系統的歸納到各自的規范體系中。

國內一邊在自己的工程實踐和充分研究吸收日本以及歐美的成熟經驗的基礎上，一邊配合大量的試驗研究，目前無論是設計施工技術規范的編制，還是在新結構的技術創新和實踐上，都進步顯著。

1.2 鋼-混組合結構橋梁常用施工方法

組合結構橋梁一般可采用先架設鋼結構再施工混凝土的施工方法，鋼結構的架設工法有直接吊裝法、頂推法、懸臂拼裝等，混凝土結構則可以采用預制和現澆等方法，這種工法鋼結構施工重量較輕，同時將鋼結構作為混凝土施工的支架甚至模板托架系統，現場施工整潔快捷，因此在早期得到了比較廣泛的使用。

上述工法中鋼結構在獨立承受荷載后再與混凝土組合成整體截面，混凝土的作用沒有得到充分發揮，從而增加了鋼結構用量。因此近年來，無論是中小跨徑鋼-混組合結構橋梁，還是大跨徑組合箱梁，在施工條件允許的情況下都優先采用先將鋼和混凝土結合再架設的施工方法。另外，為減小負彎矩區開裂風險，強迫位移法、壓重法、預彎法等多種施工措施也經常配合使用。

1.3 鋼-混組合結構橋梁面臨的新挑戰

先將鋼、混兩種材料結合后再進行架設，讓組合結構整體承受荷載是減少鋼材用量提高經濟性的最有效的途徑。但隨著跨徑不斷增加，鋼-混組合橋梁結合后的安裝重量也大幅度提高，除了海上的跨海大橋可采用超級浮吊進行安裝之外，在水深較淺的內河、交通不便的山林峽谷以及其他施工條件受限的施工環境中，這種施工工法基本無法采用。

為解決大型組合梁橋的安裝難題，另一個思路是采用大型架橋機架設的方法施工，鋼梁就位后再用架橋機的桁架梁作為提升托架反拉鋼-混組合結構，在鋼-混兩種材料結合成組合截面后再釋放反拉力，讓結構整體受力，如孟州黃河大橋。該方法雖然也達到了降低大跨徑組合橋梁鋼材用量的目的，但是大型架橋機施工裝備的造價高昂，施工安全風險控制也難度極高。

2 移動懸索支架施工法

在受條件限制無法采用大型安裝設備的情況下，要達到組合結構橋梁先結合再承受荷載的性能目標，就必須采用超高的滿堂或多點支架，這不但費用較高，同時也存在沉降引起結構性能受損的風險。為避免采用大量超高的施工支架和地基處理，保障橋梁達到最優的結構性能，比選后開發了移動懸索支架的設計施工方法。

2.1 結構設計

大橋采用5 m×108 m五跨一聯連續鋼-混組合箱梁結構，橋寬16.5 m，左右兩幅分幅布置，梁高5.0 m，標準斷面如圖1所示。

圖1 橫斷面布置圖（單位：mm）

槽型鋼梁梁高4.5 m，采用開口槽形截面，由頂板、腹板、底板和橫梁組成。頂板厚20～60 mm；腹板厚16～42 mm，兩道腹板頂部橫向間距8.6 m；底板厚30～60 mm，寬7.2 m。鋼梁橫梁有空腹式橫梁和實腹式橫梁兩種，除支點處采用實腹式橫梁外，其余位置均采用空腹式橫梁。

橋面板采用預制混凝土橋面板，板厚320~500 mm，橫橋向寬15.9 m，順橋向標準段長4 m。預制混凝土橋面板與鋼梁之間通過布置于鋼梁頂面的圓柱頭焊釘連接，焊釘采用Φ22×250，集束式布置，間距125 mm，集束式剪力釘處橋面板設預留槽。

2.2 施工方法比選

如前所述，鋼-混組合梁橋施工方法多種多樣，總體上可分為鋼與混凝土結構受力（承受結構自重）前結合和受力后結合兩種。受力前結合又可分為結合后安裝和安裝后結合兩類，鋼梁安裝又可分為頂推法、吊裝法等等，吊裝設備又有浮吊、履帶吊、架橋機、龍門吊等，混凝土結構的施工也可分為預制安裝和現場澆筑等，細分后門類眾多相互交織，梳理后見表1所示。

表1 鋼混組合梁橋施工工法分類表

經過分析比較顯示，本橋在受力前結合可使鋼材用量降低近10%，經濟效益明顯，因此在架設方法可行的前提下宜優先考慮受力前結合的施工方案。在受力前結合的施工方法中，如采用安裝前結合，則整孔安裝重量將達到2 800 t，現場不具備運輸與架設條件；如采用帶橋面板整體頂推法，5跨一聯的頂推重量接近14 000 t，不但頂推重量巨大，施工過程中負彎矩區的應力控制也難度較大。

因此，如有經濟可靠的支撐系統，宜優先采用受力前結合中先安裝后結合的施工方案。

2.3 可移動懸索支架法

傳統支撐系統容易發生沉降變形等情況，在水中的支架體系更有防船撞、防洪水等問題，采用魚腹式體外索整體支撐方案則可有效避免上述不利因素。

該支撐系統主要由魚腹式拉索、豎桿和水平連桿組成，在端部可設置端支撐桿直接支撐于承臺頂面，也可不設端支撐桿直接固定在鋼梁底面或側面，如圖2所示。

圖2 魚腹式懸索支架示意圖（單位：mm）

該技術總體施工順序如下：（1）架設鋼梁和支撐系統（如先架設支撐系統，鋼梁可分段吊裝架設，如先架設鋼梁，鋼梁可采用頂推等方式施工）；（2）在架設完成的鋼梁和支撐系統上安裝預制橋面板；（3）張拉魚腹式拉索給鋼梁施加頂升力；（4）鋼梁和橋面板結合成整體（墩頂除外）；（5）釋放拉索張拉力，支架系統落架；（6）支架系統移動到后一跨，重復步驟（2）至（5），直至完成整聯橋梁；（7）依次澆筑墩頂底板混凝土；（8）根據受力施加墩頂位移；（9）墩頂負彎矩橋面板與鋼梁結合成整體。支架的縱向移動利用兩幅橋之間的中央分隔空間設置滑道移動，方便快捷。

在結構受力上，首先支架系統保證了鋼梁和混凝土在結合后開始承受荷載，增加橋梁的整體性，減少結構用鋼量；其次由于張拉魚腹式拉索后，中間豎桿可對鋼梁施加預彎作用，使鋼-混組合梁的經濟性更為優異。

3 移動懸索支架法設計優化分析

3.1 支撐點數對比分析

為精確比較魚腹式移動支架對大跨徑鋼-混組合結構的經濟性，根據不同的支撐點數、不同的頂升位移進行參數化分析（見圖3）。橋梁鋼材采用Q345qD，橋面板采用C50混凝土。

圖3 不同支點數量對比示意圖

對比分析顯示，優化頂升位移后（50~70 cm之間），中間采用四點或五點支撐比較合理，采用五點以上支撐對減少鋼材用量的作用已不明顯，這與文獻[5]結論基本接近，結果如表2所示。

表2 不同支撐點數鋼材用量比較表 單位：kg/m2

3.2 移動懸索支架分析

移動支架自身的受力情況和材料用量也是本技術的關鍵之一，如圖4所示，移動支架豎桿和平聯采用工字鋼，端橫梁采用箱形截面，端部支撐采用圓鋼管支撐于橋梁承臺上。對于本橋跨徑108 m鋼混組合箱梁，優化后整套移動支架用鋼量為213 t（含拉索用量36 t）。

圖4 移動懸索支架分析模型示意圖

總體對比可知，當組合梁總長度達到1 000 m以上時，移動支架本身的材料用量約占鋼梁材料節省量的20%，總體經濟效益十分顯著。

4 結 語

鋼-混組合箱梁因其自身優勢深受建設各方青睞，但隨著跨徑不斷增大，其經濟性和適應性也暴露出不同程度的局限。本文提出移動懸索支架的設計施工技術，并進行了移動支架自身和對鋼-混組合箱梁材料用量降低影響的參數優化設計分析，結果顯示，采用本技術可最大限度發揮出鋼和混凝土兩種材料的性能優勢，使鋼-混組合結構在施工中不受跨徑和橋址場地限制，擴大其適用范圍。