某100 m 簡(jiǎn)支拱橋施工過(guò)程分析

王 吉

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，哈爾濱 150000）

大跨度簡(jiǎn)支拱橋從材料、跨徑、施工方法和結(jié)構(gòu)形式方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]，但不管如何發(fā)展，安全生產(chǎn)和施工是工程項(xiàng)目永遠(yuǎn)的主題與核心。鄧鑫[2]對(duì)施工過(guò)程中的各種因素進(jìn)行綜合考慮，從難度、安全、質(zhì)量、工期和經(jīng)濟(jì)性5 個(gè)方面，針對(duì)不同的施工方案進(jìn)行了對(duì)比，確定了最佳施工方案。同樣是大跨度鋼拱橋的施工，方睿[3]、宋勝錄[4]、余浩淼[5]分別重點(diǎn)分析了吊裝安設(shè)、臨時(shí)支撐的設(shè)置和施工方案理論分析，并且張志偉[6]還進(jìn)行了荷載試驗(yàn)來(lái)判定各項(xiàng)指標(biāo)的正常性，另外李國(guó)華[7]則強(qiáng)調(diào)了鋼拱段預(yù)制精度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝施工精度的重要性。

1 工程簡(jiǎn)介

100 m 簡(jiǎn)支拱橋的橋型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，全長(zhǎng)102.7 m，計(jì)算跨度為100 m，矢跨比為f/L=1∶5，拱肋立面投影矢高20 m。拱肋采用二次拋物線(xiàn)，拱肋立面投影方程為Y=4×20（100-X）X/1002（m）。拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°，呈提籃式，拱頂處兩拱肋中心距11.283 m。鋼管直徑為1.0 m，由20 mm 的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用厚度16 mm 的腹板連接，拱管內(nèi)灌注C50 補(bǔ)償收縮混凝土。拱肋鋼材材質(zhì)均為Q370qE。拱肋之間設(shè)1 道一字撐和4 道K 撐。一字撐采用外徑1.0 m 的圓形鋼管組成，斜撐采用外徑0.8 m 的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)均不填充混凝土。拱肋橫撐鋼材材質(zhì)均為Q370qE。

圖1 橋型結(jié)構(gòu)示意圖

2 拱肋節(jié)段劃分

2.1 拱肋節(jié)段劃分原則

裝配式鋼拱橋施工需要預(yù)先在加工廠(chǎng)進(jìn)行鋼拱節(jié)段的預(yù)制，經(jīng)出廠(chǎng)校檢合格之后，方可運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，而節(jié)段的劃分是加工制作的重要組成部分，其直接關(guān)系到加工生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝的進(jìn)度、質(zhì)量與安全問(wèn)題，節(jié)段劃分的原則主要從以下4 個(gè)方面考慮。

1）設(shè)計(jì)要求：在有結(jié)構(gòu)連續(xù)性的節(jié)點(diǎn)處不得作為節(jié)段的劃分點(diǎn)，在有精細(xì)連接件的地方不得作為節(jié)段的劃分點(diǎn)，在2 個(gè)拱肋的中間連接結(jié)構(gòu)處不得作為節(jié)段的劃分點(diǎn)。

2）加工要求：根據(jù)加工制造廠(chǎng)的加工能力和車(chē)間條件，不得超出車(chē)間生產(chǎn)力進(jìn)行節(jié)段的劃分。

3）運(yùn)輸要求：根據(jù)運(yùn)輸車(chē)輛的選型、運(yùn)輸路線(xiàn)的選擇及相關(guān)地區(qū)超載要求等進(jìn)行節(jié)段的劃分，嚴(yán)格控制節(jié)段的重量和長(zhǎng)度劃分。

4）根據(jù)吊車(chē)的選型，控制節(jié)段的劃分，最大節(jié)段重量不得超出所選吊車(chē)的吊裝能力。

2.2 拱肋節(jié)段劃分參數(shù)

根據(jù)以上節(jié)段的劃分原則，通過(guò)詳圖深化，由圖2 可知將2 個(gè)拱肋分為22 個(gè)節(jié)段（含4 個(gè)拱腳節(jié)段），分別為預(yù)埋段S0（拱腳處）為4 段，中間段S1—S4 共16 段，合攏段S5 為2 段，合計(jì)22 段，其中最長(zhǎng)、最重節(jié)段均為中間段S1，分別為13 000 mm、21 t。拱肋分段具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 拱肋分段圖

表1 拱肋節(jié)段劃分參數(shù)

3 施工過(guò)程分析

3.1 臨時(shí)支撐體系的選型及布設(shè)

拱肋支架采用直徑315 mm、壁厚7 mm 的雙排鋼管柱，拱肋支架布置在鋼管拱分節(jié)接頭處，分配梁采用I32b 工字鋼，系梁采用直徑237 mm、壁厚7 mm 的焊管，立柱間水平支撐和斜撐采用14a 槽鋼，拱肋支架材料均采用Q235B。

根據(jù)拱肋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用從2 側(cè)拱腳向中間合攏段階梯式臨時(shí)支撐的布設(shè)，一共布設(shè)9 組支架，鋼管柱底部和系梁梁體預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接固定，在頂部設(shè)置纜風(fēng)繩固定在系梁預(yù)埋拉環(huán)。拱肋支架采用1臺(tái)80 t 汽車(chē)吊車(chē)在橋上進(jìn)行吊裝，吊點(diǎn)設(shè)置在鋼管柱頂部，下部設(shè)置攬風(fēng)繩，人工牽引攬風(fēng)繩將鋼管柱緩慢對(duì)中安裝在預(yù)埋鋼板上，具體布設(shè)如圖3 所示。

圖3 支架布置圖

3.2 施工過(guò)程

拱肋采用2 臺(tái)80 t 的汽車(chē)吊車(chē)在橋面進(jìn)行吊裝，為保證拱肋安裝精度，擬采用從2 邊拱腳向跨中對(duì)稱(chēng)吊裝的順序進(jìn)行吊裝，具體安裝施工步驟如下。

步驟一：首先采用80 t 汽車(chē)吊車(chē)進(jìn)行臨時(shí)支撐體系的安裝，鋼管支架安裝時(shí)，吊垂線(xiàn)控制支架豎直，然后2 臺(tái)80 t 汽車(chē)吊車(chē)就位準(zhǔn)備進(jìn)行拱肋的吊裝。

步驟二：采用2 臺(tái)80 t 汽車(chē)吊車(chē)同時(shí)臺(tái)吊安裝拱腳預(yù)埋段S0，2 側(cè)對(duì)稱(chēng)吊裝，如圖4 所示。

圖4 拱腳預(yù)埋段S0 安裝示意圖

步驟三：采用2 臺(tái)80 t 汽車(chē)吊車(chē)同時(shí)臺(tái)吊安裝鋼管拱肋S1 節(jié)段，2 側(cè)對(duì)稱(chēng)吊裝，兩相鄰拱肋節(jié)段端頭標(biāo)識(shí)監(jiān)控點(diǎn)。在橋位吊裝時(shí)，嚴(yán)格控制監(jiān)控點(diǎn)的里程坐標(biāo)和高程坐標(biāo)。吊裝時(shí)先對(duì)位法蘭，在支架處設(shè)置千斤頂進(jìn)行微調(diào)，待坐標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求后，施擰法蘭螺栓，進(jìn)行剛性約束，并同步吊裝橫撐及斜撐，如圖5 所示。

圖5 鋼拱節(jié)段S1 安裝示意圖

步驟四：同步驟三吊裝鋼管拱肋S2-S3-S4 節(jié)段，并同步吊裝橫撐及斜撐，如圖6 所示。

圖6 鋼拱節(jié)段S2-S3-S4 安裝示意圖

步驟五：按規(guī)范要求在1 d 內(nèi)溫度最低的時(shí)間段吊裝鋼管拱肋合攏段S5 節(jié)段，并同步吊裝橫撐，如圖7 所示。

圖7 合攏段S5 安裝示意圖

步驟六：兩榀拱肋間“一”字撐及“K”撐安裝，灌注拱肋內(nèi)壓混凝土，如圖8 所示。

圖8 成橋示意圖

4 施工模擬計(jì)算

4.1 模型簡(jiǎn)介

采用MIDASCivil 建立各施工階段計(jì)算模型，支架鋼管立柱、系桿、平聯(lián)及斜撐采用梁?jiǎn)卧M，根據(jù)鋼管拱截面建立鋼管拱模型，鋼管拱節(jié)段自重通過(guò)自重荷載添加，鋼管拱與拱肋安裝支架柱頂橫梁間建立彈性連接，預(yù)埋拱腳按鉸接約束，其他施工階段拱腳按固結(jié)設(shè)置約束。除了考慮自重荷載外，根據(jù)施工階段還要考慮安裝過(guò)程中的沖擊荷載、施工荷載和風(fēng)荷載。

4.2 最危險(xiǎn)工況分析

4.2.1 臨時(shí)支撐穩(wěn)定性計(jì)算

支架穩(wěn)定性最不利工況為支架搭設(shè)完成，未開(kāi)始吊裝拱肋，支架受橫橋向風(fēng)荷載作用。

風(fēng)荷載產(chǎn)生的橫向推力：F=Wk×A=50.31 kN；

橫向推力產(chǎn)生的傾覆力矩：M=F×L=50.31×8.4=422.60 kN·m；

支架自重產(chǎn)生的抵抗力矩：M0=G×h=379.7×1.995=757.5 kN·m；

則：M/M0=757.5/422.60=1.79≥1.5，滿(mǎn)足要求。

4.2.2 拱肋安裝階段模擬分析

通過(guò)對(duì)整個(gè)安裝施工過(guò)程的模擬，發(fā)現(xiàn)在安裝鋼拱節(jié)段S4 的時(shí)候，其應(yīng)力與變形達(dá)到最大值，如圖9—圖10 所示。

圖9 安裝S4 段支架組合應(yīng)力圖

圖10 安裝S4 段支架變形圖

該施工工況下，組合應(yīng)力達(dá)到最大值σ=142.5MPa≤[σ]=215 MPa，滿(mǎn)足要求，最大變形值為1.635 mm。

4.2.3 灌注砼階段模擬分析

鋼拱管內(nèi)灌注混凝土后，進(jìn)行支架的數(shù)值模擬，通過(guò)仿真計(jì)算，可以得到最大組合應(yīng)力為σ=186.1 MPa≤[σ]=215 MPa，滿(mǎn)足要求，最大變形值為4.64 mm，如圖11—圖12 所示。

圖11 灌注砼后支架組合應(yīng)力圖

圖12 灌注砼后支架變形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該100 m 簡(jiǎn)支拱橋根據(jù)設(shè)計(jì)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝等要求，科學(xué)合理地確定了鋼拱段的劃分，將預(yù)埋拱腳、中間段與合攏段共劃分為22 個(gè)鋼拱段，并針對(duì)鋼拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型與布設(shè)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工仿真數(shù)值模擬的應(yīng)力及變形結(jié)果來(lái)看，整個(gè)施工過(guò)程安全可靠，可以保證施工的順利進(jìn)行。