大跨度鋼筋混凝土拱橋長節段陡斜坡掛籃設計探討

以格魯吉亞南北走廊公路項目B3拱橋為背景，受當地氣候特征影響，冬季時間長，每年有效工期僅6～7個月，拱圈節段共61個，勢必會造成拱圈懸臂狀態穿越冬季暴風雪，安全風險極高。在一年的有效工期內完成拱圈施工是避免該安全風險的關鍵方法也是難以攻克的問題。但是，將拱圈原設計的二個節段合二為一，節段長度增長一倍，使節段數減少一半，施工工序減少一半，施工時間也將減少一半。掛籃強度、剛度、自重輕、行走便利并適應陡斜坡，是掛籃研究的關鍵。

雙肋混凝土拱橋; 長節段掛籃; 臨時拉索

U445.463A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-06-07

［作者簡介］閆攀飛（1989—），男，本科，工程師，主要從事公路工程項目管理工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

格魯吉亞南北走廊公路Kvesheti-Kobi段2標項目B3拱橋為上承式鋼筋混凝土箱型肋拱橋，全長432 m，主跨285 m。橋位處于峽谷地形，地勢險要，兩岸邊坡近乎直立，橋面至谷底高差164 m，西岸橋臺處的基巖主要為火山巖，東岸橋臺處的基巖為白堊系碳酸鹽巖。項目區域氣候條件惡劣，冬季時間長達5個月，最低溫度-26.3 ℃，每年最大降雪量360 cm，最小降雪量112 cm；夏季短，最高溫度27.2 ℃，晝夜溫差大，紫外線強。一年中適宜施工工期最長7個月。橋梁所在地區位于高加索山脈腹地，震烈度高，地表峰值加速度達0.26g［1-3］。

B3拱橋計算跨徑L=278.75 m，矢高f=49.18 m，矢跨比1/5.668（圖1）。拱圈采用雙肋薄壁鋼筋混凝土箱型結構，單側拱箱30個節段，最長拱圈節段5.94 m。兩條拱肋間距9 m，寬跨比1/31，單肋寬3 m；拱箱高3.50 m，高跨比1/79.4。拱箱壁厚從拱腳的40 cm，漸變減薄至拱頂的25 cm。兩岸橋臺設置巖錨，4×7組19束1860鋼絞線對橋臺主梁進行錨固，錨索長度38～56 m不等，巖錨孔徑350 mm，最大鉆孔深度39 m。施工過程中使橋道鋼梁與拱圈、臨時扣鎖、墩柱形成桁架結構。拱箱采用自密實高強高性能混凝土C80～C95。

2" 設計思路

橋位處每年僅有7個月的有效工作時間（4—11月），為了充分降低 B3 拱橋的施工安全風險，結合現場條件，經多次研討，最終確定 B3 拱橋的施工順序采用“先拱后梁”的方式，7個月有效施工期內要完成拱圈施工仍是非常艱難的，因為每一側拱圈有 30 個懸臂澆筑節段，還包括1個拱頂合龍段。

由此提出采用2節段合成1節段一起澆筑的方式，合并后最長節段11.38 m。這種方式的懸臂澆筑節段數可減少一半，理論上7個月內完成拱圈施工是可能實現的，而這種二合一方式所需解決的最關鍵難題是掛籃的構造，通過在國內外廣泛調研、全面比較、深化研究，在無直接可借鑒的情況下，創新性地設計了“長節段陡斜坡爬坡式輕型預應力掛籃”

3" 掛籃設計

根據圖設計要求，掛籃的承載力必須大于 290 t，空載掛籃控制重量45 t，模板施工荷載控制在35 t以內，根據以上基本數據設計本掛籃。

荷載系數取值［4-5］：

（1）考慮箱梁混凝土澆注時脹模等因素的超載系數取 1.05。

（2）澆注混凝土時的沖擊系數取1.2。

（3）掛籃空載行走時沖擊系數取1.3。

（4）澆筑混凝土和掛籃行走系數時抗剪系數取2。

（5）施工時、行走時的抗傾覆安全系數取2。

3.1" 掛籃形狀的確定

結構受力和邊界條件，采用拓撲密度進行了分析（圖2）。

拓撲優化結論：掛籃采用長節段懸臂結構后端進行邊界約束條件下，前后倒角的桁架是最優形狀。

解析優化：按照掛籃前端豎向位移20 mm控制，掛籃根部截面的慣性矩應大于0.198 m4，桁架高度應大于7.3 m，兼顧拱箱自身結構，為了加強掛籃強度，采用了體外預應力結構。考慮預應力損失后的預應力為2×1200 kN，在此預應力作用下掛籃的彈性穩定模態為15.4。

3.2" 掛籃主要構造

掛籃由桁架承重系統、行走系統、支反力系統、止推系統、體外預應力系統、模板系統、工作平臺防護系統及輔助吊裝系統8部分構成［6］（圖3）。

1.桁架承重系統；2.行走系統；3.體外預應力系統；4.止推系統；5.支反力系統；6.模板系統；7.工作平臺防護系統；8.輔助吊裝系統

承重系統由懸挑牛腿、主桁架、掛鉤和體外預應力系統構成；行走系統主要由自鎖爬坡器、行走軌道、主掛鉤、輔助掛鉤、反力輪及導向輪等構成；支反力系統主要由掛鉤球座及后橫梁上的楔形反力鋼板支座等構成；止推系統主要有抗剪臂等構成［7］。

掛籃為適應拱箱長節段澆筑的需要，采用TW15-15體外預應力索，體外預應力的考慮2 mm的錨具回縮預應力損失后，需要施加 2×1200 kN。

模板系統由外模、內模構成，為適應當地施工有效期短和人工費高的問題，內外模板均采用液壓系統進行驅動，以適應快速安裝的需要。

工作平臺防護系統采用2 mm防滑鋼板和鋼絲網圍欄組成。

輔助吊裝系統采用成品回轉式懸臂吊機，置于掛籃頂部承載桿件上用于小型吊裝作業。

掛籃受力主體結構采用2片6.3 m高的預應力桁架結構，桁架水平桿以及豎桿采用HW255×250×14/14 熱軋 H 型鋼，桁架斜桿采用 HW250×250×9×14 熱軋 H 型鋼， 主桁外伸牛腿采用HW255×250×14/14 熱軋 H 型鋼，其余桿件采用 2［20。

鐵路與公路閆攀飛： 大跨度鋼筋混凝土拱橋長節段陡斜坡掛籃設計探討

掛籃設計狀態分為承載狀態和行走狀態。經過反復試算和國內外懸澆拱掛籃的結構比選，最終確定承載狀態，掛籃的約束條件是將主掛鉤放置于弧形座上作為雙向鉸約束，已澆混凝土節段的四根錨桿和反力楔塊作為豎向約束，抗剪塊作為水平約束；行走態時，采用主掛鉤和輔助掛鉤交替完成支撐實現跨越臨時扣索的功能。

3.3" 掛籃穩定性計算

掛籃空載受荷情況為800 kN自重、2 400 kN預應力荷載。分析穩定性時將自重和預應力荷載都視為可變荷載，得出相應的穩定系數，分析時考慮掛籃行走至起步節段3#節段、拱肋 1/4 處 8#節段以及拱肋1/2處14#節段的模態狀況。分析情況如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，掛籃走行穩定系數隨著澆筑節段的增加而有所提高，最低穩定系數為 5.82，最高穩定系數為 17.3，掛籃采用輔助掛鉤走行在拱肋各節段安全性均可得到保證。

后期設計中按照掛籃實際承載狀態和行走狀態，分別分析了掛籃在澆筑第 2～14 節段時的受力狀況，計算結果包括了掛鉤支反力、錨固處拉桿反力、抗剪裝置反力、掛鉤處彎矩、與掛鉤連接豎桿的軸力、主桁軸力、主桁桿件應力以及位移。結果表明該新型長節段陡斜坡自行式爬坡掛籃可滿足施工要求。

4" 結束語

國內外已建成的懸臂澆筑施工拱橋中，掛籃一般為液壓門式框架、三角形桁架、側桁式三角形、倒三角形桁架等形式［2］。一般節段長度澆筑在5 m左右，最長可達7.3 m。但總體來說，節段長度較短，導致大跨拱橋的懸臂澆筑節段多，懸臂施工時間長。在B3拱橋的項目背景下，一種新型長節段陡斜坡爬坡式輕型掛籃應運而生，將兩個拱圈節段合二為一，使拱圈施工工期縮短一半。極大的節約了時間成本，降低了拱圈長時間處于懸臂狀態的安全風險。在大跨度鋼筋混凝土懸澆拱橋中開創了先河，為后續同類型拱橋施工提供了新的思路和應用價值［8］。

參考文獻

［1］" 郭俊峰. 大跨度拱橋施工階段纜索吊裝系統計算分析［J］. 鐵道建筑技術， 2020（11）：74-77，88.

［2］" 閆攀飛， 田寶華， 袁毅，等. 一種掛籃結構： CN114164773A［P］. 2022.

［3］" 王釗. 近海山區高速公路創新集成研究與示范［J］. 中國公路， 2020， 567（11）：76-79.

［4］" 公路橋涵施工技術規范： JTGT 3650-2020 ［S］.

［5］" 盛斌. 新豐江大橋連續剛構掛籃懸澆無托架施工技術［J］. 公路與汽運， 2006（3）：4.

［6］" 曹瑞， 裴賓嘉， 聶東，等. 懸臂澆筑拱橋新工藝的研究［C］// 第十八屆全國橋梁學術會議.

［7］" 裴賓嘉， 曹瑞， 彭勁根，等. 拱橋懸臂澆注掛籃的設計和創新［J］. 公路， 2008（1）：7.

［8］" 萬嬌. 鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑與勁性骨架組合施工技術研究［D］. 重慶：重慶交通大學， 2013.

［9］" 裴賓嘉， 曹瑞， 聶東，等. 大跨徑鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑掛籃的設計和創新［C］// 中國公路學會橋梁和結構工程分會全國橋梁學術會議. 中國公路學會;廣東省公路學會， 2007.