大跨徑鋼箱系桿提籃拱橋全壽命周期一體化建造技術分析

徐曉東 （安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

十三五期間，安徽省委省政府發(fā)布了《關于促進皖北地區(qū)又好又快發(fā)展的若干意見》，要求大力推進國、省干線公路升級改造、農(nóng)村公路建設，加快高速公路、民航等項目建設，盡快實現(xiàn)皖北高速公路縣縣通，形成快捷便利的綜合運輸網(wǎng)絡。按照省委省政府的要求，在《安徽省交通運輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中，高速公路“縣縣通工程”已經(jīng)列入“十三五”重點任務。固鎮(zhèn)至蚌埠高速公路為安徽省“縣縣通工程”之一，本項目修建之前，固鎮(zhèn)縣上下高速公路需要通過蚌埠或者宿州繞行，給固鎮(zhèn)縣人民出行帶來不便，為實現(xiàn)縣縣通高速公路的目標，落實振興皖北戰(zhàn)略，項目建設十分迫切。

圖1 橋梁實景圖

本項目于懷洪新河與澮河交匯處東側約1km位置跨越澮河，設置九灣澮河特大橋，全長2611m。橋位區(qū)位于蚌埠市北部，屬于淮北平原區(qū)，主要由淮河和黃河沖積物組成，地勢平坦遼闊，區(qū)域內(nèi)河流平行向東南注入淮河。地貌單元為淮河沖積平原區(qū)，微地貌單元為二級階地，地面標高在15.0m～18.0m之間，河堤標高20.0m～22.0m，地勢平坦。橋位處河道較為順直，河槽寬度約300m，河底高程約10m。兩岸灘地較為發(fā)育，北岸灘地寬約380m，南岸灘地寬約750m，兩岸建有堤防，兩岸堤頂高程均約為21.0m，左右堤頂間距約1500m。

1 總體設計

九灣澮河特大橋由北向南依次跨越X017、北岸大堤、澮河主河道、南岸大堤，橋梁全長2611m，跨澮河主航道采用主跨135m鋼箱系桿拱橋，跨越X017、北岸大堤、南岸大堤均采用50m簡支鋼板組合梁橋，其余引橋采用35m連續(xù)鋼板組合梁橋。橋梁結構構造如下[1-3]。

①鋼主梁。鋼梁由兩邊箱主縱梁與預制混凝土橋面板及橫梁組成，梁高2.5m，主縱梁邊箱寸為 1.6m（斜寬）x2.5m（高），主縱梁、橫梁及小縱梁均為全焊鋼結構。橫梁間距3.6m，每7.2m設置一對吊桿，即間隔一道橫梁布置一對吊桿。橫向兩道主縱梁間布置3道小縱梁，小縱梁頂寬0.65m，底寬0.44m，梁高0.4m。主梁端橫梁高4.0m，順橋向長3.5m。

②橋面板為鋼筋混凝土板，采用分塊預制，板間現(xiàn)澆濕接縫連接，橫向分四塊預制，縱向設置5道現(xiàn)澆接縫，橋面板厚度26cm，預制板采用C50混凝土，現(xiàn)澆濕接縫采用C55補償收縮混凝土。預制橋面板必須存放6個月方可安裝，以減少混凝土收縮徐變對結構帶來的不利影響。

③主拱及風撐。主拱矢跨比1/4，拱高32.75m（拱軸斜面內(nèi)）。主拱采用2片提籃式鋼箱型斷面，拱肋橫向傾角13°，拱肋采用矩形等高鋼箱拱肋，寬1.6m，高2.5m。拱軸線為二次拋物線。拱頂風撐采用箱型結構，全橋共設置三道風撐。

④吊桿及系桿。吊桿采用擠壓錨固鋼絞線拉索體系，于梁端張拉，考慮張拉空間影響，吊桿張拉端錨頭置于主縱梁箱室之外，最外側吊桿采用15-31鋼絞線、其余吊桿采用15-22鋼絞線，吊桿間距為7.2m。吊桿索面與水平面夾角為77°。本橋系桿為可換索式系桿，縱向系桿采用15-31鋼絞線，每個箱室6根。端橫梁橫向系桿采用15-19鋼絞線。

⑤下部結構及基礎。下部結構墩柱采用直徑4.5m圓柱墩，承臺接群樁基礎，每個承臺長12m，寬7.5m，厚3.5m，承臺下為6根直徑1.8m鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計。

2 總體施工方案

圖2 橋梁總體布置圖（單位：cm）

全橋采用先梁后拱搭設支架浮吊吊裝施工[4-7]。鋼梁及系桿拱工廠加工、現(xiàn)場安裝采用支架法，水中搭設鋼管樁安裝系梁底部貝雷梁，利用110t浮吊安裝端橫梁及系梁、鋼箱拱支架、拱肋、風撐及吊桿。橋面板采用場內(nèi)預制，現(xiàn)場澆筑濕接縫形成整體。鋼梁工廠制造節(jié)段是根據(jù)工廠場地、設備、起吊能力等綜合評估后進行分段。鋼梁分段分為端橫梁部分（10段）、系梁（18段）、中橫梁（33段）、小縱梁（102個）；鋼箱拱分為拱腳（4段）、拱肋（22段）、橫撐（3個）。具體步驟如下：①鋼梁及鋼拱廠內(nèi)加工、橋面板場內(nèi)預制，現(xiàn)場搭設主梁及主拱支架；②利用110t浮吊安裝端橫梁、兩側鋼系梁、中橫梁、小縱梁等橋面鋼結構體系，形成鋼框架；③利用110t浮吊安裝鋼箱拱支架，并安裝連接系；由拱腳至拱頂安裝拱肋至合龍；④拆除拱上支架，首張系桿及吊桿；⑤鋪設預制橋面板并現(xiàn)澆濕接縫，形成橋面系；⑥二張系桿及吊桿，拆除梁上支架；⑦施工橋面鋪裝、欄桿、伸縮縫及其他附屬；⑧成橋檢測、荷載試驗、通車等。

3 結構受力關鍵點分析

組合橋面系鋼箱系桿拱橋結構簡潔、受力明確，但組合結構關鍵受力部位需設計合理，施工關鍵工序?qū)Y構受力影響較大，對結構全壽命周期性能有至關重要的作用，本橋影響結構受力的關鍵因素如下。

①主梁支架拆除時機

本橋主梁及主拱均在支架上施工，主拱合龍后拆除拱上支架，而梁體支架拆除可考慮方案一，在橋面板濕接縫澆筑形成整體后拆除，也可考慮方案二，在鋪設橋面板之前全橋鋼框架形成后即可拆除。但兩者在結構受力、變形及支架設計等方面均存在較大差別。采用方案一時橋面板及鋼梁重量均由支架承擔，支架拆除后由聯(lián)合形成整體的組合結構承擔，支架設計需考慮橋面板重量對承載能力及變形的影響，由于采用一次落架，施工監(jiān)控索力張拉及變形控制相對較容易。采用方案二時支架拆除前鋼梁重量由支架承擔，支架拆除后，鋼梁重量及橋面板重量僅由鋼梁承擔，聯(lián)合形成的整體組合結構承受后期二恒及活載等作用。支架設計時無需考慮橋面板重量，支架承載力要求相對較低，但二次調(diào)索相對較為復雜，結構在拆除支架的體系上鋪設橋面板及濕接縫，體系受力及變形相對較為敏感。本橋綜合考慮支架設計、體系受力及變形等因素后選擇采用方案一。

②主梁柔性系桿二張時機

主梁柔性系桿首張在主拱合龍后進行，二張重點考慮選擇方案一為混凝土橋面板與鋼梁形成聯(lián)合整體前二張系桿，方案二為混凝土橋面板與鋼梁形成聯(lián)合整體后張拉系桿。采用方案一，則系桿力主要傳給鋼主縱梁以抵消鋼主縱梁承受的水平推力。采用方案二，則系桿力主要傳遞給聯(lián)合截面，主要推力由鋼梁承擔，抵消主要推力同時可適當給橋面板儲備一定預壓應力，改善后期活載、溫變、收縮徐變等導致的橋面板拉應力過大而導致開裂。本橋經(jīng)進行嚴格的結構計算分析論證，決定采用方案二，并且要求施工期間嚴格執(zhí)行。

③吊桿破斷或更換期間結構敏感性

假設上游側一根吊桿破斷或更換，經(jīng)對吊桿破斷或更換期間進行的敏感性分析發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。由于橋面系采用了格子梁體系，上游側單根吊桿破斷后不會導致下游側主拱及主縱梁、橋面系受力發(fā)生巨大變化，上下游側縱向受力相對較為獨立；上游側單根吊桿破斷后會導致上游側臨近的兩根吊桿力發(fā)生巨大變化，次臨近的吊桿力變化次之，順橋向兩側傳遞逐漸減弱；上游側單根吊桿破斷會導致上游側拱梁結合位置處受有較大的彎矩，該較大彎矩是梁體重量無法完全由吊桿平衡導致，對結構受力影響較大，需引起足夠重視。

4 施工監(jiān)控關鍵點分析

提籃式鋼箱系桿拱結構受力復雜、施工期間受力、變形及穩(wěn)定問題極為重要，施工監(jiān)控是保證主、引橋施工質(zhì)量和安全的重要環(huán)節(jié)，是主橋建設成功與否的關鍵所在，施工過程中需對結構變形、應力和穩(wěn)定進行監(jiān)控。鋼拱、鋼梁及行車道板的制造線形和安裝線形均應由施工監(jiān)控單位下發(fā)控制指令，施工單位應嚴格按照施工控制單位的指令加工制造。監(jiān)控時變形基點應可靠，梁體、橋面變形測量精度要求達到0.1mm，監(jiān)測應從制作完工后開始，每個施工步驟均應測量，而后每二至三個月測量一次，以形成完整的變形曲線和圖表，變形觀測資料應定期交付業(yè)主并轉交設計單位，竣工驗收時作為必須的資料并移交養(yǎng)護管理部門。

提籃式鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控主要控制點如下：①上部結構主引橋施工全過程監(jiān)控計算，包括主拱、主梁的安裝、系桿、吊桿張拉和橋面系施工等；②線形監(jiān)控測量，包括施工過程中各主要控制點的位移、線形和標高的計算與測量；③結構內(nèi)力及支反力監(jiān)控測量，包括系桿力、吊桿力與支座反力等的計算與測量；④結構應力測試，包括主拱、主梁控制截面應力計算與測試；⑤溫度測試；⑥施工臨時設施監(jiān)控測量，包括臨時支墩、臨時系桿等的計算與測量；⑦施工監(jiān)控應遵循線形、索力雙控原則，主拱合龍前以線形控制為主，索力控制為輔；合龍后以索力控制為主，線形控制為輔。坐標及高程測量應保證在一天中溫度最恒定的時間（凌晨2:00～6:00之間）進行，同時應記錄時刻、溫度、風力、氣象等客觀條件，以便對橋梁進行綜合分析控制。

5 養(yǎng)護關鍵點分析

結合本橋受力特點及關鍵部位受力分析可知，組合結構鋼箱系桿拱橋運營階段養(yǎng)護重點關注如下事項：①主梁及主拱鋼結構涂裝失效、焊縫開裂、疲勞裂紋、變形失穩(wěn)等；②橋面板關注鋼混結合處局部裂縫、現(xiàn)澆濕接縫處局部裂縫、拱梁結合段頂部局部裂縫及收縮徐變與鋼梁與橋面板不同步溫變導致的裂縫。③吊桿與系桿關注短吊桿斷裂、吊桿護套破損、錨頭區(qū)積水滲水、錨固區(qū)銹蝕等。④常規(guī)養(yǎng)護關注橋面系破損、支座變形老化、伸縮縫破損、護欄泄水管破壞、下部結構水毀等。

6 結語

組合橋面系鋼箱系桿拱橋方案與交通運輸部《推進公路橋梁鋼結構建設的指導意見》理念相吻合，有利于提升公路橋梁品質(zhì)和耐久性，降低全壽命周期成本，促進公路建設的轉型升級。同時，本橋主引橋均采用鋼-混組合結構，有利于推進鋼結構橋梁工業(yè)化、標準化、智能化建造。

施工周期方面，上部結構鋼梁制造、橋面板預制與下部結構施工可同步進行，大大節(jié)省了建設工期，綜合節(jié)約工期約6個月，作為全線施工控制性節(jié)點工程，利于早日通車。

景觀性方面，鋼箱系桿提籃拱橋結構簡潔、順暢、景觀效果相對較佳。

本橋設計、施工及全壽命周期養(yǎng)護理念等一體化建造技術可為類似橋梁建造提供參考。