萬宗江 馮靖淳

(1.中鐵二局集團有限公司 四川成都 610000；2.華東交通大學(xué) 江西南昌 330000)

1 引言

著名橋梁大師林同炎說過“拱是結(jié)構(gòu)也是建筑”[1]。因其造型美觀、便于就地取材、耐久性及穩(wěn)定性強、后續(xù)養(yǎng)護維修費用低等優(yōu)點，拱橋被眾多工程設(shè)計者所青睞。人類掌握了大型鑄鋼技術(shù)以來，鋼材得以大量投入土木工程行業(yè)，在此背景下，鋼拱橋應(yīng)運而生[2]。近代以來，隨著社會生產(chǎn)力的飛速發(fā)展和科技的進(jìn)步，以及人們對建筑造型審美不斷提高，拱橋的結(jié)構(gòu)形式在不斷變化與創(chuàng)新，誕生了許多造型奇異的鋼拱橋結(jié)構(gòu)，如采用單根拱肋與行車道斜交跨越形式的英國斜跨拱橋Hume橋、采用以拱肋通過拉索吊住橋面形式的日本東京羽田機場跨線橋、西班牙著名建筑師SantiagoCalatrava于1987年在巴塞羅那成功設(shè)計建成的斜靠拱等[3]。我國改革開放以來，土木工程業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，表1列舉了我國21世紀(jì)所修建的典型鋼拱橋[4-5]。

表1 典型鋼拱橋

國內(nèi)采用“超寬曲線梁、非對稱外傾式”結(jié)構(gòu)形式的鋼拱橋較少，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、關(guān)鍵部位力系傳遞分配巧妙，既保證了橋梁造型美觀，又確保了三維結(jié)構(gòu)具有高度的穩(wěn)定性能。由于結(jié)構(gòu)的特殊性以及施工環(huán)境的特殊性，已有成熟拱橋施工方法均不能很好地適用府河大橋。為此，本文以府河大橋為工程背景，對橫向超寬非對稱外傾式鋼箱拱橋進(jìn)行數(shù)值仿真計算及受力分析，在此基礎(chǔ)上提出了一系列施工措施，以達(dá)到為今后同類型橋提供工程借鑒的目的[6-8]。

2 工程概況

成都市高新區(qū)紅星路南延線跨府河橋梁工程(下文簡稱府河大橋)位于成都新會展中心以東，毗鄰會展段規(guī)劃江灘公園，跨越府河后接中和鎮(zhèn)街道。府河大橋采用“超寬曲線梁、非對稱外傾式鋼拱橋”為我國西部地區(qū)首座該類橋型，主橋采用“三跨連續(xù)橫向超寬曲線梁非對稱外傾式鋼箱拱橋”，主橋跨徑150 m，主梁位于R＝600 m平曲線內(nèi)，東西兩條獨自向外傾斜的拱肋其外傾角度不同，北拱平面與水平面成70°角，南拱平面與水平面成82°角，橋面以上拱肋間沒有任何橫向聯(lián)系，兩條拱肋于主梁下交匯，于拱頂遙相分離，通過傾斜的吊索支承彎曲的主梁。府河大橋鋼梁采用“雙縱箱＋格子梁”結(jié)構(gòu)，寬度最寬達(dá)到69 m，為目前國內(nèi)在建和已建拱橋中鋼梁梁面最寬的橋梁(見圖1)。其結(jié)構(gòu)規(guī)模的突破，必定連鎖帶動全橋施工組織和施工工藝的全體系改進(jìn)，在施工組織和施工工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)真正意義上拱橋建造技術(shù)的突破[9-10]。

3 數(shù)值仿真分析

對混凝土拱肋施工過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，計算各個工程階段主要構(gòu)件的受力和變形情況，確保施工過程結(jié)構(gòu)安全。分析采用Midas FEA軟件，模型實體部分全部采用六面體單元，鋼束采用1D鋼筋單元，骨架采用梁單元模擬，骨架與實體之間采用共節(jié)點方式處理。模型共計8 870個梁單元，預(yù)應(yīng)力鋼束6 844個單元，三維實體單元個數(shù)為49 914個，整個模型共有66 128個節(jié)點，見圖2。

圖2 拱肋實體模型

根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，模型共分成十四個施工階段(設(shè)計第一階段為10 d外，其他每個施工階段周期均為7 d)。階段一:生成承臺及三角塊；階段二:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第一節(jié)段混凝土拱肋重量以及勁性骨架的重量和剛度(骨架考慮一部分連接延伸段)；階段三:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第一節(jié)段混凝土拱肋剛度；階段四:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第二節(jié)段混凝土拱肋重量以及勁性骨架的重量和剛度(骨架考慮一部分連接延伸段)；階段五:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第二節(jié)段混凝土拱肋剛度；階段六:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第三節(jié)段混凝土拱肋重量以及勁性骨架的重量和剛度(骨架考慮一部分連接延伸段)；階段七:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第三節(jié)段混凝土拱肋剛度；階段八:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第四節(jié)段混凝土；階段九:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第四節(jié)段混凝土拱肋剛度；階段十:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第五節(jié)段混凝土拱肋重量以及勁性骨架的重量和剛度(骨架考慮一部分連接延伸段)；階段十一:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第五節(jié)段混凝土拱肋剛度；階段十二:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第六節(jié)段混凝土拱肋重量以及勁性骨架的重量和剛度(骨架考慮一部分連接延伸)；階段十三:在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激活第六節(jié)段混凝土拱肋剛度；階段十四:張拉拱肋預(yù)應(yīng)力。除去預(yù)應(yīng)力及邊界條件模擬導(dǎo)致的應(yīng)力集中點外，各階段混凝土結(jié)構(gòu)正應(yīng)力和主應(yīng)力見圖3～圖5(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，各階段鋼骨架應(yīng)力及變形見圖6～圖7。

圖3 不同施工階段拱肋應(yīng)力

圖4 不同施工階段承臺應(yīng)力

圖5 不同施工階段橋墩應(yīng)力

圖6 不同施工階段勁性骨架應(yīng)力

圖7 不同施工階段勁性骨架最大變形

對比工況14與設(shè)計文件相關(guān)結(jié)果發(fā)現(xiàn):拱肋軸向壓應(yīng)力分布范圍接近，應(yīng)力集中處(拱肋與三角塊接觸位置)極值點應(yīng)力略小于設(shè)計文件值，拱肋上主拉、主壓應(yīng)力基本與設(shè)計文件相同。兩個計算結(jié)果中橋墩上應(yīng)力大體一致。但在拱肋與橋墩接觸位置，設(shè)計文件中最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)邊，而本計算出現(xiàn)在頂面，通過分析研判為考慮拱肋骨架應(yīng)力擴散作用所致。承臺上除去本計算中邊界條件模擬處，其他部位結(jié)果基本一致。勁性骨架北拱外側(cè)主撐上最大壓應(yīng)力達(dá)到-171 MPa，最大拉應(yīng)力為124.48 MPa。通過Midas FEA軟件對施工階段一至階段十四的數(shù)值仿真分析，對每一施工階段的拱肋、承臺、橋墩的最大正拉應(yīng)力、最大正壓應(yīng)力、最大主拉應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力以及鋼骨架的應(yīng)力和最大變形數(shù)值進(jìn)行計算，著重在不同施工階段的應(yīng)力、變形較大的位置采取相應(yīng)工程措施，如適當(dāng)增大桿件截面等，數(shù)值分析對工程實踐具有較好的指導(dǎo)意義[11-12]。

4 關(guān)鍵施工控制技術(shù)

4.1 外傾式拱肋鋼混連接段施工

鋼帽預(yù)埋進(jìn)混凝土拱腳部分構(gòu)造復(fù)雜，混凝土澆筑質(zhì)量控制難度大，鋼-砼連接段混凝土施工質(zhì)量關(guān)系到混凝土拱肋與鋼箱拱肋段應(yīng)力傳遞和整個拱肋受力安全。為此，利用Midas FEA軟件進(jìn)行整體建模及數(shù)值分析，同時結(jié)合本橋鋼-砼連接段的特點及施工難點，提出先澆筑鋼砼連接段混凝土，再安裝拱肋第一段的施工方案。以此方案施工鋼帽與混凝土拱肋結(jié)合段，混凝土澆筑施工較為方便，能夠較好地保證混凝土澆筑質(zhì)量。針對鋼砼連接段鋼帽及鋼箱拱1＃段施工工序進(jìn)行研究分析，同時結(jié)合國內(nèi)外鋼砼連接施工技術(shù)，充分考慮本工程特殊施工環(huán)境和施工工藝特點，鋼箱拱1＃段拱肋與鋼帽焊接必須在混凝土抗壓強度達(dá)到設(shè)計強度的95%方可進(jìn)行。按焊接速度，間隔時間至少已達(dá)到50 min，根據(jù)試驗結(jié)果，能夠達(dá)到降低層間溫度的目的，若出現(xiàn)層間溫度較高的情況可通過延長層間間隔時間(不能超過2 h)來降低層間溫度以保障焊接質(zhì)量，避免焊接輻射熱對鋼帽內(nèi)混凝土強度的影響。此外，因連接位置鋼筋密集，混凝土澆筑時難以密實，為此，采用自密式高強C50混凝土，保證了在鋼筋密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下鋼砼連接段混凝土施工質(zhì)量。采用活動壓模技術(shù)，在混凝土澆筑時能及時快速進(jìn)行壓模，保證了施工質(zhì)量；同時壓?？啥啻卫茫?jié)約了施工成本。壓模由限位卡槽、型鋼橫肋、方木豎肋、模板組成。U型卡頂部內(nèi)側(cè)與工字鋼連接，U型卡兩腿長度比工字鋼高20 cm，與鋼帽頂面滿焊連接組成壓模限位卡槽，見圖8。

圖8 壓模限位結(jié)構(gòu)

4.2 橫向超寬曲線鋼梁快速安裝

鋼梁縱向分段、橫向分塊。鋼梁縱橋向分為8＋25＋11，共44個施工節(jié)段?？v向節(jié)段之間U肋、板肋和面板全部采用焊接。橫橋向塊間工字鋼橫梁采用高強螺栓連接、面板焊接。各節(jié)段長度在6 m左右，均為扇形。本橋鋼梁安裝難度大，采用傳統(tǒng)方案施工，均不能完全解決相關(guān)問題，經(jīng)研究創(chuàng)新采用運架一體小車安裝鋼梁的施工技術(shù)。小車具有運輸、安裝、調(diào)整等功能，在鋼梁安裝調(diào)整就位后，采用碗扣支架支撐鋼梁，小車退出進(jìn)行下一梁塊安裝。鋼梁運架一體小車可重復(fù)利用，節(jié)約了施工成本，見圖9。同時采取超寬曲線鋼梁水上運輸通道設(shè)計、橫向超寬曲線鋼梁快速安裝、鋼梁合龍安裝、橫向超寬曲線鋼梁線形控制等技術(shù)措施保障施工的順利進(jìn)行。

圖9 運架一體小車

4.3 橫向超寬曲線梁外傾鋼箱拱體系轉(zhuǎn)換

府河大橋作為國內(nèi)外首座超寬曲線梁外傾式鋼箱拱系桿拱橋，鋼箱拱肋、鋼梁均采用少支架法施工，施工過程中采用橫向?qū)骶S持結(jié)構(gòu)受力及保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，力的平衡及傳遞關(guān)系復(fù)雜，臨時輔助施工結(jié)構(gòu)多。當(dāng)成拱及成橋后都需分步解除臨時結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多次受力體系轉(zhuǎn)換，既要保證施工過程安全，又要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計線形和應(yīng)力要求。體系轉(zhuǎn)換施工過程復(fù)雜、難度大且無同類工程參考借鑒，為確保各個階段體系轉(zhuǎn)換安全可靠，保證成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形滿足設(shè)計要求，最終采用體系平衡、體系轉(zhuǎn)換等技術(shù)措施以保障施工順利進(jìn)行。主要施工程序為:安裝南北側(cè)系桿，并完成初張拉；安裝吊桿，張拉靠近兩側(cè)拱肋拱腳處的3對共12根吊桿；安裝及張拉鋼梁縱向彈性索；拆除北側(cè)拱肋的2個支架并張拉靠近已張拉吊桿兩側(cè)的12根吊桿；張拉剩余吊桿；拆除鋼梁邊跨支架，拆除鋼梁中跨支架，拆除鋼拱臨時對拉索；調(diào)整系桿張拉力至張拉設(shè)計值；調(diào)整吊桿、彈性索張拉力至張拉設(shè)計值。

此外，考慮到拱肋合龍時的溫度、線形等不確定因素，在工廠制造時將合龍段適當(dāng)加長，根據(jù)合龍時的實際情況，在施工現(xiàn)場對合龍段放樣切割，精確、順利完成了拱肋合龍。鋼箱梁吊裝過程中通過將橫向?qū)髦鸩叫冻?，將拱肋外傾產(chǎn)生的拱平面外荷載逐步轉(zhuǎn)換到永久吊桿承擔(dān)，實現(xiàn)了橫向分力平衡受力體系逐步轉(zhuǎn)換。成橋后通過曲線布置的永久系桿平衡箱梁平面內(nèi)的橫橋向不平衡水平分力以及拱腳水平推力，施工過程通過采用臨時支架、對拉索等保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成橋后通過體系轉(zhuǎn)換逐步將臨時支架、對拉索所承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)換到永久系桿。臨時索體系根據(jù)結(jié)構(gòu)實際傳力路徑布置，隨結(jié)構(gòu)體系的變化逐步施加和解除，并將荷載逐步轉(zhuǎn)換到永久結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系自平衡。

5 結(jié)論

(1)外傾式預(yù)應(yīng)力混凝土拱肋采用在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置勁性鋼骨架結(jié)構(gòu)作為承力結(jié)構(gòu)、大塊異型模板分節(jié)段澆筑技術(shù)并通過對施工工況的仿真分析和過程監(jiān)測，解決了空間曲面混凝土拱肋懸臂施工難題。

(2)針對鋼-砼連接段特殊構(gòu)造設(shè)計和質(zhì)量要求，通過對焊接輻射熱的試驗研究，解決了焊接輻射熱對鋼帽混凝土質(zhì)量影響的技術(shù)難題；同時采用活動壓模技術(shù)，確保了鋼帽混凝土質(zhì)量。

(3)橫向超寬曲線鋼梁的橫向?qū)挾冗_(dá)69.0 m，為國內(nèi)最寬鋼結(jié)構(gòu)橋梁，鋼梁塊段多，采用水上運輸通道系統(tǒng)，通道之間無連接，減少了支架數(shù)量，節(jié)約了成本；鋼梁安裝，創(chuàng)新采用運架一體小車進(jìn)行施工，安裝速度快、精度高、易于操作，安全風(fēng)險小。

(4)依靠吊桿、箱梁、系桿及拱肋組成三維空間受力平衡體系，成橋后通過體系轉(zhuǎn)換逐步將臨時支架、對拉索所承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)換到永久系桿，確保了整個施工過程結(jié)構(gòu)體系的自平衡。