下承式钢箱提篮拱桥拱肋拼装支架方案研究

1 施工方案

下承式钢箱提篮拱桥的拱肋一般采用支架法施工。首先，进行主梁、横梁及桥面板的施工。然后，利用门式起重机将拱肋支架吊至桥面预定位置，并简单固定，按照此流程继续吊装下一片支架，并用纵向连接系将支架串连成整体，待所有拱肋支架吊装完成后，利用门式起重机将拱肋节段吊至支架上预定位置。最后，将拱肋节段焊接成完整拱肋，拱肋拼装完成后，拆除拱脚部分的直立支架，保留中间部分的斜支架，在顶推施工中斜支架用作拱肋撑杆。施工流程如图1所示。

   

图1?施工流程

2?拱肋拼装支架比选

根据桥梁设计图纸，在有限元软件midas civil中分别建立含2种拱肋支架的全桥有限元模型。模型中，主梁、横梁、拱肋、支架及连接系等均采用梁单元建立，桥面板由板单元建立，拱肋与支架的连接通过受压弹簧模拟。直立支架模型中拱肋支架直接支撑在桥面板上，通过与桥面板共节点的方式实现支架与桥面的传力；斜支架模型中拱肋支架支撑在边主梁上。两种方案的分析模型如图2所示。

   

（a）                                （b）

图2?有限元模型

（a）直立支架模型；（b）斜支架模型

模型中，依据JTG/T?3360–01—2018《公路桥梁抗风设计规范》定义风荷载，风荷载取8级风速17.9?m/s，基本风压0.2?kN/m ² 。选取5个关键施工阶段计算结构在风载（可变荷载）及自重（不变荷载）作用下的稳定系数。这5个阶段分别为拱肋GL6、GL12、GL6'、GL3及GL4的拼装阶段，其中拱肋从拱脚到拱顶按照GL0~GL12顺序编号，对称位置用“‘”区分。5个施工阶段的稳定性计算结果见表1。

表1?关键施工阶段稳定性计算结果

   

由表1可知，直立支架方案中，有4个施工阶段的稳定性不满足要求，稳定系数远小于4.0，失稳发生在拱肋和支架上，直立支架方案典型屈曲模态如图3所示。由此可推断出，若采用直立支架，在拱肋拼装过程中，拱肋及支架极易失稳，风险极大，不建议采用。斜支架方案中，5个关键施工阶段的稳定系数均大于4.0，拱肋及支架稳定性好，满足要求。

   

图3?直立支架方案典型屈曲模态（拼装GL12）

除稳定性更优外，采用斜支架方案还能节省大量钢材。经计算，若采用直立支架，需要钢材2?315?t。若采用斜支架，仅需钢材1?740?t，节约钢材575?t。但相较于直立支架，斜支架的安装更加困难，尤其是拱脚位置的支架，该处上、下游拱肋支架的间距较大，最宽达40?m，连接上下游斜支架立柱的横向连接系跨度较大，自身强度难以满足要求。

鉴于此，从安全性、经济性及施工便捷性等综合考虑，涪江大桥采用斜支架与直立支架组合的方式（以下简称“组合方案”）进行拱肋拼装，即拱脚的拱肋节段（GL0~GL4）采用直立支架拼装，对拱腰及拱顶的拱肋节段（GL5~GL12）采用斜支架拼装。在保证结构安全的前提下，组合方案还能再节省钢材约30?t，相较于直立支架方案，组合方案共节省钢材约600?t。

3?施工过程

3.1?桥面结构施工

首先，搭设主梁拼装支架，在主梁拼装支架上进行主梁拼装，此过程需注意对主梁设置1.058?o预偏角，用以抵抗主梁向内的偏转，防止主梁外侧支座脱空。然后进行横梁施工，吊装横梁前，在其跨中放置支架，待横梁吊装就位后，通过支架顶端的千斤顶对横梁施加1.05?t的顶升力，以提高横梁稳定性，确保施工安全。最后，铺装桥面板并进行焊接。焊接后，桥面板、横梁和主梁形成一个受力整体，这时便可撤除横梁下部支架，并将支架前移，用以安装下一节段的横梁。按照上述流程直至所有主梁、横梁和桥面板安装完成。桥面结构如图4所示。

   

图4?桥面结构示意

3.2?拱肋支架搭设

斜支架由直径800?mm、厚16?mm的钢管斜立柱、双拼32?a槽钢横向连接系、三拼63?a工字钢柱顶分配梁及柱脚垫座组成。垫座在横桥向长1?500?mm，纵桥向长1?000?mm，高400?mm，由底板、肋板和底板组成，肋板在纵横向按照250?mm等间距布置，所有板件厚度均为20?mm，材质均为Q235钢，立柱向内倾斜约70?o，在其顶部及底部切割出斜面，方便与分配梁和垫座连接。斜支架底部与垫座焊接，并在一周焊接加劲肋板，以加强柱脚部位。

直立支架由直径630?mm厚16?mm的钢管立柱、双拼20a槽钢横向连接系、双拼63?a工字钢柱顶分配梁及三拼50?a工字钢地连横梁组成。地连横梁长5?200?mm，钢管立柱与地连横梁连接部位环向均匀设置20?mm厚的加劲肋板。

为防止柱顶节点区域出现应力集中，支架立柱（直立/斜支架）顶部焊接柱帽后再与分配梁进行连接。钢管立柱的接长采用法兰连接，纵横向连接系的节点处均设置有节点板。支架与拱肋连接处设置牙板（临时支撑），牙板为三拼63?a工字钢，采用现场适配的方式制作，其作用是辅助调整拱肋空间姿态，并用以固定拱肋。

支架安装顺序按照顺桥向从前至后依次进行，具体施工流程为：先测量定位出支架立柱的位置，并在桥面上画出其轮廓线及中心点，将单片支架一侧的立柱吊至预定位置，通过全站仪调整方位，若方位有偏差需进行调整，待方位无误后进行固定，然后按照上述流程吊装另一侧立柱，再吊装立柱间的连接系，最后按照此流程继续吊装下一片支架，同时吊装支架间的连接系，支架间的连接系在地面焊接成整体后再吊装至桥面，定位后与支架的立柱焊接在一起。

3.3?拱肋制造及吊装方案

单个拱圈共分为25个节段，全桥共50个节段，从拱脚到拱顶按照GL0~GL12进行编号，拱肋节段长度有6?m、9?m和12?m共3种，拱肋截面形状为八边形，高4~8?m，宽3m。拱肋顶、底板厚度有50?mm、40?mm和30?mm共3种，拱脚位置厚度最大，拱顶位置厚度最小，腹板有30?mm、40?mm、45?mm共3种板厚。安装顺序为两端向中间对称施工，在GL12处合龙。拱肋节段划分及安装顺序如图5所示。

   

图5?拱肋节段划分及安装顺序示意

所有拱肋节段分上、下2块制造，分块位置为中心线以上250?mm处，拱肋分段如图6所示。对于超过80?t的拱肋节段，采用门式起重机将上、下2块分别吊至拱肋支架上，并在支架上完成上、下2块的组拼焊接。对于不超过80?t的拱肋节段，在地面完成组拼焊接，再利用门式起重机将其整体吊至支架上方预定位置。拱肋节段重量见表2。

   

图6?拱肋分段示意

表2?拱肋节段重量

   

3.4?拱肋线形控制

拱肋是空间立体结构，安装就位较困难，故在拱肋支架上方设置定位装置。拱肋定位装置由2台50?t起顶千斤顶和纠偏装置组成。通过起顶千斤顶对拱肋的竖向倾角及高程进行调整，纠偏装置由1台30?t水平千斤顶和焊接在支架上的纠偏反力座组成，通过水平千斤顶可调整拱肋的水平位置。施工时，拱肋与临时支撑座实配放样定位焊接在一起，安装时拱肋一端与已架梁段通过匹配件和码板连接，一端放置在支架上，最后通过支架上的起顶及纠偏装置，调整拱肋线型。通过水平千斤顶调整拱肋水平方位。拱肋纠偏原理如图7所示。

   

图7?拱肋纠偏原理示意

3.5?风撑安装

拱肋在拱顶纵向长98?m区域设置风撑，风撑为整体箱形结构。箱体高度1.3?m，箱体宽度沿拱肋间距变化。箱体内每隔3?m或2.5?m设置1道横隔板。箱体顶板厚度16?mm，底板厚度16?mm，加劲肋间距500?mm，加劲肋尺寸20?mm×240?mm，横隔板厚度14?mm。

风撑在纵桥向分为7个节段，在两侧最宽位置的节段再一分为二，故全桥总计分为9个吊段，如图 8所示。吊装顺序为两端至中间对称吊装，与相应拱肋节段同步施工。风撑、拱肋安装完成后，将直立支架拆除保留斜支架，斜支架在后续顶推施工中充当拱肋撑杆，协同主梁、拱肋形成桁架体系，增大结构的整体稳定性。

   

图8?风撑节段划分示意

4?结论

（1）采用直立支架拼装拱肋，涪江大桥拱肋拼装关键阶段的稳定系数较小，最小为1.33×10 ^–2 ，不满足工程要求，主要原因是支架直接立于桥面板上，而正交异性钢桥面板的面外刚度较弱，对支架的支撑性不足，从而导致立于其上的支架失稳。采用斜支架方案，涪江大桥关键施工阶段的稳定性均大于4.0，且具有较大的安全储备。

（2）直立支架搭设方便，但稳定性差；斜支架稳定性好，满足要求，但安装不便，尤其是拱脚位置受上下游支架间距过大的影响，安装定位困难。鉴于此，涪江大桥采用直立支架与斜支架组合方案拼装拱肋，即采用直立支架拼装拱脚位置拱肋节段，采用斜支架拼装拱腰与拱顶的拱肋节段。组合方案保证了涪江大桥拱肋的顺利拼装，并累计节约钢材约600?t。

（3）涪江大桥采用直立支架与斜支架组合方案拼装拱肋，涉及的拱肋制造、安装及定位调整等相关施工工艺对梁拱整体顶推的提篮拱桥施工有一定的借鉴意义。