系桿拱橋凱旋門式主墩墩頂支架施工技術研究

作者簡介：韋景光（1978—），高級工程師，主要從事橋梁與道路技術研究和施工管理工作。

摘要：文章以六律邕江特大橋為依托，介紹了系桿拱橋凱旋門式主墩墩頂現澆支架的結構選型及施工要點，并利用Midas Civil有限元軟件對支架受力進行了計算分析。結果表明，墩頂支架的強度、剛度及穩定性均滿足施工需要，驗證了支架結構的正確性及合理性，可供類似工程參考。

關鍵詞：系桿拱；鋼管支架；施工技術；有限元

中圖分類號：U448.22⁺5

0 引言

拱橋是一種古老的橋型，早期的拱橋大部分屬于有推力拱，其特點是在豎向荷載作用下拱腳對墩臺有水平推力作用，水平推力減少了拱橋的跨中彎矩，可以增大拱橋的跨徑，但是對地質有較高的要求，拱座及墩臺體積較大。無推力拱在豎向荷載作用下拱腳對墩臺無水平推力作用，其水平推力由沿橋梁縱向布置的剛性梁或柔性桿件承受，是一種內部超靜定、外部靜定的組合體系橋梁；由于對拱腳無水平推力，特別適用于地質較差的地區，但只能做成下承式橋型。系桿拱屬于常見的無推力拱，由于下承式拱橋拱座通常立于主墩之上，標高較高，為減少主墩截面優化造型，主墩常采用凱旋門式結構，凱旋門式墩頂的施工就成了主墩施工的重難點。

1 工程概況

六律邕江特大橋全橋跨徑組合為3.5 m+（4×30）m+7.5 m+265 m+7.5 m+（3×30）m+3.5 m，全橋總長為497 m，主橋為計算跨徑達265 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，計算矢高為58.89 m，矢跨比為1/4.5。引橋采用30 m裝配式小箱梁，先簡支后結構連續。主橋拱肋與基礎采用固結體系，通過在拱腳間張拉系桿平衡拱肋水平推力，見圖1。

六律邕江特大橋4#、5#主墩采用縱向凱旋門式矩形混凝土實心墩，單個橋墩縱橫向尺寸為（4.5×8.5）m，兩片橫向通過拱座橫梁連接為一體。墩頂凱旋門高4.5 m，拱圈跨徑為10 m，凱旋門拱圈頂部與拱座橫梁底部平齊，拱座橫梁采用單箱雙室截面，高4.0 m，寬14.38 m，頂、底板厚0.8 m，腹板厚1 m。鋼筋采用HRB400，現澆混凝土等級為C40，見圖2。

2 現澆支架結構布置

2.1 支架選擇及結構形式

墩頂凱旋門拱圈頂距承臺最大高度達到23.27 m，拱圈跨徑為10 m，主墩位于江中，汛期主墩下部和承臺會被洪水淹沒。凱旋門拱頂分兩次澆筑完成，混凝土單次澆筑最大方量達600余m³。一般而言，該類型結構的施工可采用的施工方案有盤扣式滿堂支架、預埋牛腿不落地支架和鋼管型鋼落地支架等，如采用盤扣式滿堂支架，支架高寬比較大，穩定性不足，且盤扣支架無法抵抗洪水期水流的沖擊，安全風險高。而主墩鋼筋和勁性骨架密集，鋼筋間距小，如采用預埋牛腿的不落地支架，其預埋件有可能會破壞主筋的布置，影響主墩的受力。綜合施工條件和自然條件考慮，該凱旋門墩頂支架采用鋼管型鋼落地支架進行施工。

立柱鋼管采用?530×10 mm螺旋鋼管，在承臺頂面等間距布置，順橋向設置4排鋼管，間距為2.72 m，橫橋向設置3排鋼管，間距為4 m。鋼管間設置C20槽鋼剪刀撐，第一道剪刀撐距承臺頂面為2.5 m，第二道剪刀撐距鋼管頂1.05 m。鋼管頂部開豁口并橫向設置雙拼Ⅰ45a工字鋼的樁頂橫梁，其上再順橋向布置Ⅰ45a工字鋼分配梁，布置間距為1 m。分配梁上設置C25a拱形模板骨架和雙拼C25a拱肋。利用鐵絲按30 cm的間距在拱肋上綁扎10 cm×10 cm的方木，在方木上鋪設2 cm厚的竹膠板作為底模。所有鋼管和型鋼材質均采用Q235。單個支架的用鋼量約91 667 kg，詳見圖3和表1。

2.2 支架有限元分析

采用Midas Civil軟件建立有限元計算模型，按承載能力極限狀態法進行計算，荷載組合為1.2×結構混凝土荷載+1.2×支架體系自重+1.4×動水荷載+1.4×各類施工荷載。

模型中管樁底部固結，管樁與樁頂橫梁之間采用剛性連接，并根據與其下部結構實際受力情況，取樁頂橫梁一端釋放Ry，其余節點釋放Dx和Ry。樁頂橫梁與分配梁之間采用剛性連接，并根據與其下部結構實際受力情況，取分配梁一端釋放Rx，其余節點釋放Dy和Rx。

以適當間距劃分拱頂斷面，計算各斷面混凝土高度，換算成混凝土荷載，再通過壓力荷載施加在模型上^［1-3］。實際施工時混凝土分兩次澆筑，第一次澆筑至拱圈高度的2/3，但由于兩次澆筑的時間間隔較短，且第一次澆筑后結構尚未封閉成環，故模型計算時第一次澆筑的混凝土仍視作荷載。動水荷載以施工時可能發生的最高洪水位進行計算，并考慮群樁遮流影響系數對動水荷載的影響^［4］。

支架模型見圖4，計算結果見表2。由表2計算結果可知，在荷載作用下，支架結構的強度、剛度和穩定性均滿足要求。

2.3 混凝土局部承壓計算

立柱鋼管底部立于永久結構承臺之上，受力較大，應進行混凝土局部承壓計算。依據規范按式（1）～（3）計算^［5］：

計算得到混凝土局部承壓的承載能力為4 288 kN，支架有限元模型計算得到最大的鋼管支點反力為671 kN，滿足施工要求。

3 支架施工技術

3.1 支架搭設及預壓

在主墩承臺施工時提前預埋鋼管底部鋼板，確保支架鋼管底部能夠安裝固定牢固，鋼板下方布置4層螺旋鋼筋以增加混凝土抗壓能力。立柱底部設置δ=1 cm鋼板作為墊板，鋼管立柱與墊板焊接。同時，焊接8塊三角形δ=1 cm厚的鋼板作為加勁板。

鋼管一般以9 m為一節段，每節段鋼管樁施工完成后，立即進行該節段鋼管樁間平聯與剪刀撐施工。樁頂橫梁安裝在鋼管立柱頂部，鋼管頂部開豁口，用于固定樁頂橫梁。樁頂橫梁放入豁口后，將樁頂橫梁與立柱焊接在一起，防止橫梁受力位移。分配梁在樁頂橫梁上方等間距布置，并點焊固定。

加工雙拼槽鋼制作拱頂圓弧段，采用槽鋼制作拱頂骨架片，骨架制作完畢后采用汽車吊將拱形骨架片吊運至安裝位置進行安裝。

支架完成拼裝后進行預壓。結合該支架的特點，采用水袋配合鋼筋、鋼絞線進行預壓。預壓為分級加載，按計算荷載的50%、100%、110%分三級進行加載，每級加載的持荷時間＞24 h，加載達到最大荷載后維持24 h，然后再逐級卸載。在支架拱頂、1/4L拱圈和1/8拱肋位置設置變形觀測點，每級加載后均觀測變形情況，根據預壓所測得的數據合理設置支架預拱度。

3.2 混凝土澆筑

混凝土采用泵送進行澆筑。泵送前應檢查泵送系統，首次泵送前應進行管道耐壓試驗。混凝土分層、整體、連續澆筑，分層厚度控制在30 cm內。首先澆筑墩頂段直至澆筑面標高與墩頂橫梁底部標高平齊，此時為第①部分;其次澆筑墩頂現澆段剩余部分及主墩橫梁，此時為第②部分，如圖5所示。第①部分澆筑時左右幅可分不同時間澆筑；第②部分澆筑時，采用兩臺泵送系統同時澆筑，由兩側主墩向橋梁中心處均勻布料澆筑。

施工過程中利用觀測點實時監測支架變形情況，如發現異常立即暫停施工，待查明原因后方可繼續進行混凝土澆筑。整個混凝土澆筑過程中，支架最大豎向變形為7.5 mm，接近理論計算值，驗證了支架方案的可行性。

3.3 支架拆除

拆除順序遵從“由上到下，先搭后拆”的原則，利用吊車配合人工自凱旋門拱頂中線向兩側對稱拆除木質模板及方木，然后拆除槽鋼拱肋和拱形骨架，拆除樁頂橫梁，最后分段切割拆除鋼管立柱和剪刀撐。支架拆除時需要有專人指揮拆除工作，直至拆除最后一層支架前，每完成一層拆除，需檢查支架是否穩定，防止支架垮塌。同時，每完成一層支架拆除，安排施工人員清除支架材料。拆除時，混凝土強度應達到設計強度的100%。

4 結語

本文以六律邕江特大橋為依托，介紹了系桿拱橋凱旋門式主墩墩頂現澆支架的結構選型及施工要點，利用Midas Civil有限元軟件對支架受力進行了計算分析。結果表明，墩頂支架的強度、剛度及穩定性均滿足施工需要，驗證了支架結構的正確性及合理性，該支架能夠確保施工的安全。

參考文獻

［1］盧忠梅，王子軒，蘇志曄，等.某特大橋0#塊鋼管柱支架有限元計算分析［J］.山東交通科技，2022，191（4）：87-90.

［2］汪德旺.大跨度鋼管混凝土拱橋支架法施工仿真分析［J］.貴州大學學報（自然科學版），2021，38（6）：104-108.

［3］張 文.裝配式大鋼管支架在高架橋箱梁現澆中的應用［J］.西部交通科技，2021，165（4）：158-161.

［4］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規范［S］.

［5］GB50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

收稿日期：2023-04-10