預制拼接上承式拱橋拱箱吊裝施工技術研究

王 帥,羅 倩

(1.蚌埠投資集團有限公司,安徽 蚌埠 233000;2.蚌埠中環(huán)水務有限公司,安徽 蚌埠 233000)

拱橋是一種常見的橋梁結構,有悠久的歷史,由于其良好的受力性能和美觀的造型,在公路、市政等工程設計中被越來越多的采用。隨著科技的發(fā)展以及施工技術的進步,現代拱橋的跨度越來越大[1]。在橋梁建造材料方面,圬工材料的使用逐漸減少,世界各國更多的采用混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋[2],其中混凝土材料由于其抗壓強度高、抗拉強度小,非常適用于以受壓為主的拱形結構。我國自20世紀60年代以來修建了多座混凝土拱橋,截止2020年底,我國現存的跨徑不小于100 m的混凝土拱橋有近300座[3]。

經過多年的發(fā)展,拱橋的設計和施工技術已較為成熟,但仍有一些問題需要解決或完善,尤其確定合理的施工工藝確保施工過程中所有部位受力合理、促進工程安全,以及施工中的控制措施,對于拱橋的建造至關重要[4]。近年來,BIM技術在建筑行業(yè)廣泛應用,對于拱橋的施工,采用BIM技術可以促進項目管理效率的提升[5]。

本文對某工程中的跨河上承式拱橋的拱箱吊裝施工技術進行研究,分析了關鍵施工工藝,對施工方案有很好的參考價值。

1 工程概況

圖1 本項目研究的拱橋模型圖

某市政道路工程地處云貴高原南緣向桂西北山區(qū)與丘陵過渡的斜坡地帶,地勢北高南低呈階梯式下降,其中計劃在一處“V”形峽谷上建造一座橋梁,本著經濟性原則,同時受未來交通客流量限制,決定該橋采用上承式拱橋結構,充分發(fā)揮其跨越能力大、承重性能好、外形美觀的特點[6]。

由于主跨部位河水較深、兩側山勢較陡,采用傳統(tǒng)支架法進行現澆施工已不能滿足實際需求,為了克服以上技術難點,將主拱圈設計成空腹箱型結構,在大大減輕結構自重的同時,可將同一軸線拱肋拆分成多段,再放到預制梁場來完成制作,大幅降低了高空作業(yè),但裝配式結構吊裝成了本項目的一個難題。本工程采用纜索吊機作為起重設備完成拱箱的分片吊裝,纜索吊機結構相對簡單,以塔架和懸索作為承重結構并且起重車可以靈活的運輸重物[7],效率高、經濟性好,很適用于本工程的實際情況。

最終,本項目的拱橋橋跨布置設計為:2×16 mPC空心板+1×90 m上承式鋼筋混凝土箱型拱橋+4×16 mPC空心板,全橋長205.66 m。

圖2 本項目纜索吊施工應變片監(jiān)測位置

2 施工技術要點

本橋主拱圈為多肋多節(jié)段拱箱組合結構,橋面橫向由7肋拱圈組合而成,橋面縱向由5節(jié)段拱圈預制拼裝連接,拱圈結構見圖3所示。

圖3 預制拱圈結構及拼接順序示意圖

橋梁拱圈結構拼裝順序橋面橫向為由中間肋向兩側肋對稱順序進行,橋面縱向5個節(jié)段為由兩側拱腳至中間拱頂對稱順序向跨中拼裝連接,拱圈拼接順序見圖3所示(根據序號先后)。

2.1 拱腳段預制拱箱1#或2#節(jié)段拼接安裝

1#或2#節(jié)段拱箱預制養(yǎng)護完成后,采用大型運輸設備轉運至施工現場吊裝場地。用其中纜索吊裝設備將1#或2#節(jié)段拱箱固定、吊運至起拱線后緩慢下落至兩側拱腳支座處,通過螺栓連接固定1#或2#節(jié)段拱箱與拱座。在拱腳段拱箱節(jié)段上布設扣索,固定好上、下游纜風索。通過起重索與扣索連接提升使拱圈節(jié)點接頭達到控制標高,利用纜風索與扣索連接協(xié)同調整,使拱箱軸線與中線對齊。節(jié)點接頭標高與拱箱軸線調整起重索緩慢下降使扣索逐漸持力且緊度增加,直至扣索完全支撐拱肋的狀態(tài),如此2#與4#拱箱節(jié)段連接的接頭標高調整使由松緊扣索實現。通過纜風索來調整拱箱節(jié)段的軸線對中,收緊并固定好纜風索。

圖4 拱腳段拱箱吊裝MISES應力云圖

用有限元方法模擬計算得到,本階段拱箱最大軸力為N=-380.87 kN;拱箱最大彎矩M=356.301 kN·m,相應軸力N=-271.479 kN。

2.2 中間段預制拱箱4#或3#節(jié)段安裝

4#拱箱次邊段的吊裝工藝與2#節(jié)段類似,在拱箱完成運輸之后,進行安裝,旋轉緊固相鄰節(jié)段連接處下邊緣的螺栓,懸掛纜風索和扣索,進而調整本節(jié)段拱箱的拱肋中線坐標。在本節(jié)段拱箱安裝過程中,還應注意:次邊段與拱腳段相互連接在一起,使得相鄰拱箱產生了作用力,導致4#拱箱與2#拱箱的接頭處會相對之前的位置有所下降,因此,需要在此處接頭標高穩(wěn)定、不再變化時,進行起重索和扣索調整,將4#拱箱次邊段另一側接頭,相對于設計標高,抬升20 cm;收緊本節(jié)段拱箱的扣索,旋轉緊固接頭上部的螺栓。

圖5 中間拱箱吊裝MISES應力云圖

用有限元方法模擬計算得到,本階段拱箱最大軸力為N=-935.171 kN;拱箱最大彎矩M=424.800 kN·m,相應軸力N=-381.745 kN。

2.3 合攏段預制拱箱5#節(jié)段安裝

5#拱箱作為中間段,其吊裝運輸方式與2#拱箱相同。中間節(jié)段拱箱安裝軸線的精度和接頭標高尤為重要,安裝時通過嚴格控制扣索來調整。中間段在下降過程中,應使中間段兩端標高略高于設計標高約3 cm,然后沿橋梁縱向中間段兩側對稱地釋放次邊段扣索索力,直到次邊段向中間靠攏到預定位置,合攏時微調中間段拱箱保證節(jié)點高度和軸線位置符合設計要求。

用有限元方法模擬計算得到,本階段拱箱最大軸力為N=-1080.25 kN;拱箱最大彎矩M=227.861 kN·m,相應軸力N=-526.521 kN。

預制拱橋吊裝安裝時關鍵在于拱肋軸線偏位和節(jié)點接頭標高的控制。橋面橫向上、下游預制拱圈的安裝順序參照上述2.1～2.3節(jié)內描述的拼裝順序進行。整橋拱圈拼接組裝后,采用混凝土澆筑實做橫向連接構件,拆除橫向纜風索,整橋拱圈拼接完成,拱圈整體結構可以獨立支撐橋梁受力體系。繼續(xù)采用纜索吊裝設備吊裝、運輸、安裝完成拱橋上部結構。最后橋梁建設完畢,拆除纜索吊裝設備。

圖6 合攏之后拱箱MISES應力云圖(顯示一半)

通過有限元方法模擬計算分析得到,每階段施工結構受力都在允許的范圍內,在施工過程中進行現場實測,拱肋應力處于正常范圍內,單片拱肋合攏后全拱處于受壓狀態(tài),合攏拱肋受力良好。

4 結 論

本文研究了一座典型的上承式混凝土拱橋分段吊裝施工過程,得到如下結論。

(1)對于施工環(huán)境受限、不宜采用滿堂支架現澆法施工的混凝土拱橋,可采用預制拱箱分段吊裝施工的方式,纜索吊裝適用性強,可優(yōu)先考慮采用。

(2)將拱箱拆分成多段,制作完成之后,安裝應遵循:橫向按先中間后兩邊的順序進行,縱向對稱于跨中從拱腳至拱頂逐段安裝,每階段施工都應計算結構受力是否在合理的范圍內,避免產生安全風險。

(3)施工過程應對關鍵部位進行受力、位移等監(jiān)測,如有異常需實時調整施工方案。