桥梁施工与技术的关系(双飞翼中承复式钢箱拱桥体系转换施工技术)
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桥梁施工与技术的关系(双飞翼中承复式钢箱拱桥体系转换施工技术)
韦永昌 何建乔
广西路桥工程集团有限公司
摘 要：在拱桥建设过程中，体系转换往往是施工过程中最危险的时段。以乌兰木伦河3号桥体系转换为例，介绍了采用支架法施工时，双飞翼中承复式钢箱拱桥的体系转换流程，即张拉主副拱吊杆-拆除副拱支架-张拉主拱与梁的吊杆-拆除主梁支架-拆除主拱支架。通过有限元建模对支架拆除过程中支架反力、支架变形等进行计算，最终确定了先副拱后梁的体系转换顺序，实践证明该体系转换顺序的安全性及可操作性。
关键词：钢箱拱桥;异形拱助;体系转换;支架法;双飞翼;有限元;
1 概述
桥梁吊杆是把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，通过吊杆的张拉受力将梁与拱连接为统一受力构件，达到自身平衡[1,2]。桥梁施工过程中，随着工序的进行，需将临时结构进行拆除，而永久工程通过自身受力达到平衡状态，即将临时结构的受力荷载转换为吊杆张拉力[3]。
常规拱桥中，吊杆垂直于梁与拱的截面，吊杆张拉时对称进行即可，受力元素较为单一，体系转换较为容易[4,5]。对于双飞翼中承复式钢箱拱桥而言，由于其造型独特，主副拱倾斜，且主拱与钢箱梁、主拱与副拱之间均存在吊杆。不同的吊杆张拉顺序及支架拆除顺序，对于吊杆及支架体系的安全性产生很大影响[6]。
目前，境内鲜有采用支架法进行异形拱肋拱桥施工。本文对乌兰木伦河3号桥的体系转换考虑钢管支架对于吊杆的影响，通过有限元模拟计算体系转换顺序同时考虑施工可行性，并对施工进行总结，以期为类似工程提供施工经验。
2 工程概况
乌兰木伦河3号桥是境内首座双飞翼景观特大桥梁，桥长348 m, 主跨200 m, 属于中承复式钢箱拱桥，桥面变截面宽度为42～65 m, 见图1。
桥梁上部主拱结构为外倾式钢箱拱，横桥向向道路中心线外倾斜17℃,顺桥向最大角度为57°,副拱结构为内倾式钢箱拱，横桥向向道路中心线内倾45℃,顺桥向最大角度为18°。主拱与钢箱梁通过17对吊杆进行连接，主拱与副拱通过6对吊杆进行连接，副拱与钢箱梁之间无吊杆。拱肋采用超高空间异形支架体系作为临时支撑体系，辅助完成钢箱梁、钢箱拱的吊装。
图1 双飞翼中承复式钢箱梁拱 下载原图
钢箱梁及主副拱采用支架法进行安装，通过支架反力对钢结构进行支撑。随着工序的进行，需将临时结构进行拆除，而永久工程通过自身受力达到平衡状态，即在拆除支架的同时需进行吊杆的张拉，以便将支架所受压力转为吊杆所受拉力，通过吊装的张拉及支架的拆除完成体系的转换。
3 结构计算
3.1支架体系
支架体系包括钢箱梁支架及钢箱拱支架。钢箱拱支架设计分为主拱支架、副拱支架以及主副拱交叉段、主副拱横连4部分，见图2。支架立柱均采用529 mm×9 mm无缝钢管，横杆及斜杆均采用180 mm×5 mm钢管，钢箱梁及主拱支架顶部设置双拼63工字钢，副拱支架顶部设置双拼56工字钢。钢管支架基础为桩基，桩基础直径1.3 m, 混凝土强度为C30,钢管埋入2 m。
图2 主拱支架平面布置 下载原图
在主副拱肋与支架连接处，采用楔形块支垫进行支撑。楔形块高度根据计算体系转换的节段最大变形量进行相应设计，见图3。吊杆张拉后，主副拱会产生竖向和横向位移，在体系转换时通过将楔形块移除，可实现拱肋节段与支架迅速脱离的目的。
图3 楔形块 下载原图
3.2体系转换流程
考虑钢箱梁、主拱、副拱之间的受力关系及采用支架法施工的影响，拟定体系转换的顺序为：张拉主副拱吊杆-拆除副拱支架-张拉主拱与梁的吊杆-拆除主梁支架-拆除主拱支架。主拱及副拱的吊杆张拉从拱脚向合龙段按顺序依次进行，上下游南北岸对称施工。支架拆除则从合龙段向拱脚方向对称进行。体系转换和流程，见图4和图5。
图4 体系转换顺序 下载原图
3.3支架顶部反力计算
利用Midas计算软件建立模型，见图6,采用节点弹性支撑代替拱肋支架支撑。拱肋节段划分见图7,计算出主拱支架拆除过程中支架顶部反力情况，见表1。
由表1可以看出，在主拱支架拆除过程中，支架顶部最大支反力在拆除第3节段时第2节段的支架，其支反力为1 750 kN,最大支反力出现在高度较低的第2节段支架上，支架失稳的风险最小，因此，现在拆除的顺序合理，即按照先副拱后钢箱梁、最后主拱的顺序进行支架拆除，支架体系安全。
3.4支架应力及变形分析
利用Midas计算软件建立主拱支架模型，见图8,计算出主拱支架拆除过程中支架应力和变形情况。
图5 体系转换流程 下载原图
图6 有限元模型 下载原图
表1 主拱支架拆除过程中支架顶部反力 导出到EXCEL
|
| |
| 支点反力FZ/kN | |
| S11节段支架 | 75 |
| S10节段支架 | 87 |
| S9节段支架 | 111 |
| S8节段支架 | 241 |
| S7节段支架 | 600 |
| S6节段支架 | 1 185 |
| S5节段支架 | 1 613 |
| S4节段支架 | 1 637 |
| S3节段支架 | 1 703 |
| S2节段支架 | 1 750 |
| S1节段支架 | 1 114 |
(1)通过有限元计算，得出主拱支架拆除过程中剩余支架的最大应力及最大变形，见表2。由表2可以看出，随着主拱支架的拆除，剩余支架仍具有足够安全性。即按照设计的顺序进行支架拆除，支架体系安全，见图9。
图7 拱肋节段划分 下载原图
图8 主拱支架有限元模型 下载原图
表2 主拱支架拆除过程中剩余支架受力情况 导出到EXCEL
| 剩余支架最大应力/MPa | 剩余支架最大变形/mm |
| 37.8 | 37.8 |
| 37.4 | 38.0 |
| 36.8 | 37.8 |
| 37.1 | 37.0 |
| 39.2 | 35.5 |
| 43.4 | 32.6 |
| 43.4 | 27.7 |
图9 主拱支架拆除过程中剩余支架受力情况 下载原图
(2)支架拆除后主拱最大变形见图10,由图10可以看出，左侧主拱拱顶最大竖向位移为50 mm, 向外偏移116 mm, 右侧主拱拱顶最大竖向位移为64 mm, 向外侧偏移166 mm。
4 吊杆张拉
吊杆张拉时，先张拉主拱与副拱吊杆，后张拉主拱与主梁吊杆，见图11。吊杆索张拉时，采用4套设备，每次4个对称吊杆同时张拉，张拉顺序按照D1、D2～D9依次张拉。张拉过程分4级进行，依次为25%、50%、75%、100%,每级张拉持荷5 min, 最后一次张拉至100%后，应超张拉至105%。
5 体系转换施工
根据设计体系转换顺序进行施工，首先进行主副拱吊杆张拉，然后进行副拱支架拆除，完成主副拱体系转换。接着进行主拱-钢箱梁吊杆张拉，再进行主拱和箱梁支架拆除，完成全桥体系转换。
图10 支架拆除后主拱最大变形 下载原图
图11 主拱吊杆编号 下载原图
(1)利用测量机器人对支架拆除过程拱肋的偏位进行监测，以右半幅拱肋为例，对比主副拱体系转换时拱肋实际与理论计算偏位，见表3,最大偏差出现在副拱跨中，副拱跨中向道路中心线偏移，实际偏位较理论计算向道路中心线偏差98 mm。整体偏位趋势与理论计算的趋势一致，基本可控。
(2)主拱与主梁体系转换时，主拱偏位见表4,由表4可以看出，在体系转换后主拱向外侧偏位，对比理论计算偏位和实际偏位发现，越靠近跨中主拱的实际偏位与理论计算值偏差越大，见图12,最大偏差出现在跨中，但偏差值仅为62 mm, 基本可控。
表3 主副拱体系转换理论计算偏位及实际偏位 导出到EXCEL
mm
|
| 实际偏位值 | 偏差值 | |||
竖向 | 横向 | 竖向 | 横向 | 竖向 | 横向 | |
T0 | -1 | 0 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| -17 | 0 | -5 | -3 | -12 | 3 |
| -51 | -2 | -36 | -5 | -15 | 3 |
| -100 | -4 | -88 | -7 | -12 | 3 |
| -162 | -5 | -194 | 3 | 32 | -8 |
| -192 | -4 | -230 | 9 | 38 | -13 |
| -206 | -1 | -214 | 10 | 8 | -11 |
| -191 | 9 | -180 | 19 | -11 | -10 |
| -140 | 23 | -129 | 19 | -11 | 4 |
| -74 | 32 | -71 | 30 | -3 | 2 |
| -17 | 21 | -34 | -10 | 17 | 31 |
| 11 | -17 | -10 | -51 | 21 | 34 |
| 14 | -66 | -6 | -101 | 20 | 35 |
| 8 | -103 | 8 | -170 | 0 | 67 |
| 0 | -115 | 16 | -194 | -16 | 79 |
| -2 | -112 | 31 | -210 | -33 | 98 |
注：横向偏差“-”为向道路中心线偏位，竖向向下为“-”。
表4 主拱-箱梁体系转换理论计算偏位及实际偏位 导出到EXCEL
mm
| 理论计算偏位 | 实际偏位值 | 偏差值 | |||
竖向 | 横向 | 竖向 | 横向 | 竖向 | 横向 | |
S0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -1 | 5 | 0 | 0 | -1 | 5 |
| -7 | 19 | -2 | 10 | -5 | 9 |
| -14 | 35 | -10 | 30 | -4 | 5 |
| -23 | 53 | -21 | 50 | -2 | 3 |
| -32 | 71 | -39 | 94 | 7 | -23 |
| -41 | 91 | -43 | 100 | 2 | -9 |
| -48 | 110 | -56 | 120 | 8 | -10 |
| -52 | 126 | -48 | 139 | -4 | -13 |
| -56 | 142 | -64 | 162 | 8 | -20 |
| -60 | 155 | -66 | 185 | 6 | -30 |
| -62 | 163 | -78 | 209 | 16 | -46 |
| -64 | 166 | -80 | 228 | 16 | -62 |
注：横向偏差“-”为向道路中心线偏位，竖向向下为“-”。
图12 主拱实际偏位值和理论计算偏位差值 下载原图
注：正数为向道路中心线偏移。
6 结语
本文以乌兰木伦河3号桥体系转换为例，介绍了采用支架法施工时，双飞翼中承复式钢箱拱桥的体系转换流程，并通过有限元建模对支架拆除过程中支架反力、支架变形等进行计算，支架拆除施工过程对拱肋进行测量监控得到以下结论：
(1)从两端向跨中进行支架拆除，剩余支架最大支反力在第2节段，支架高度较低，拆除过程安全；
(2)设计楔形块支垫进行拱肋支撑，实现了快速体系转换；
(3)通过测量机器人对体系转换过程进行测量监控，并对比理论计算偏位和实际偏位，发现两者偏差小；
(4)采用“张拉主副拱吊杆-拆除副拱支架-张拉主拱与梁的吊杆-拆除主梁支架-拆除主拱支架”的体系转换顺序具有安全性和可操作性，可为类似工程体系转换提供借鉴。
参考文献
[1] 王莉.系杆拱桥吊杆张拉方案优化试验研究[J].铁道建筑，2020,60(1):11-14.
[2] 胡成，周力，李霞.基于无应力状态法的下承式拱桥吊杆张拉次序优化[J].安徽建筑大学学报，2019,27(1):6-10.
[3] 柯红军，李传习，张玉平，等.双塔大横向倾角空间主缆自锚式悬索桥体系转换方案与控制方法[J].土木工程学报，2010,43(11):94-101.
[4] 柯红军.广州猎德大桥体系转换施工方法的确定及实施[J].桥梁建设，2010,(2):84-87.
[5] 姜云霞，赵志蒙.先简支后连续梁、板桥体系转换的研究[J].公路，2003,(11):12-16.
[6] 王瑞雪，吴丽萍.解析公路桥梁施工技术的不足及改进措施[J].黑龙江科学，2014,5(2):251-251.
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