谢萨高架桥设计与施工

谢萨高架桥设计与施工

在过去的几年里，西班牙建造的拱桥数量大幅增加。尽管这类桥梁造价高昂，施工耗时很长，还需要大量的辅助设备，但显而易见的是，它们的美观以及与周围环境的协调使其成为一种非常有趣的桥梁类型。

通过使用预制构件来建造拱和桥面，开发出了一种全新的创新施工工艺。这使得建造一座经典拱桥的成本降低，所需时间也缩短至传统方法的一半左右。然而，由于施工阶段复杂且多样，这一工艺使得结构所需的计算变得更为复杂。

1  简介

谢萨 高架桥最初设计为预应力混凝土板桥。施工过程将先用临时拉杆搭建拱架，然后再铺设桥面。这种体系存在三个主要缺点：

在建造拱桥时，必须在桥墩上立一根临时的竖柱，桥墩则置于拱的根部。

——即使浇筑跨度仅为 22 米的桥面板，施工时也必须同时使用两套支架。

传统的拱桥建造方式需要一个带有悬臂的龙门架来浇筑拱圈，之后再用支架浇筑桥面。由于这两个部分难以相互配合，有时拱圈和桥面不得不分开建造，从而导致整个结构的施工进度延迟。

显然，同时建造拱和桥面，而非依次建造，将节省时间，同时也能减少所需辅助设备的数量。曾讨论过使用跨度为 141 米的预制拱的可能性，以便仅用一个辅助构件 —— 预制构件的架桥机，来建造这两部分。

该系统既可吊装拱的预制构件，也可吊装上部结构的预制梁。这两种构件均由位于支架后部的两个小车吊起。

 

图 1. 施工期间半拱的视图

该系统的优点相当明显：

只需一个发射龙门架，而无需同时配备带有悬臂的 龙门 架和完整的脚手架；

采用预制构件具有这种工艺的通常优点：成品质量均匀；全面的质量控制；以及快速的安装时间。

2   谢萨 高架桥

谢萨 高架桥是一座典型的拱桥，两根拱脚之间的跨度为 141 米，桥高 32 米，它呈 2 度的抛物线形，截面高 从拱脚处的2.60米变化到拱顶处的1.80米。

由于桥面呈曲线状，桥墩在拱线方向上并非居中支撑，而是有一定偏心距。这种偏心距经过优化，以尽量减小拱的扭矩。

由于这种偏心，拱的宽度至少为 5.50 米。

拱的横截面为空心矩形，其翼缘和腹板板厚均为 0.25 米。

图 2. 拱段正视图

图 3. 拱段的横截面

该桥面左行车道由13个跨度组成，右行车道由14个跨度组成。各跨度设置如下：

跨度设置如下：

—左行车道 13 - 17 - 17 - 10×18.6

—右行车道  13 - 17 - 17 - 8×18.6 - 17 - 17 - 10

拱上每侧行车道有 8 跨，每跨 18.6 米。第 7 根桥墩位于拱顶。原设计中跨径为 22 米，后来进行了调整，以减轻最重的梁段的重量，便于架设。

图 4. 左侧车行道的总体视图

桥面由高度为1.20米的预制箱梁构成。梁的下表面宽度小于3.96米。

横梁上方铺设了一块混凝土板。悬臂端部的混凝土板厚度为0.20米，横梁上的混凝土板厚度为0.35米。

图 5.主梁 的吊装

图 6.主梁 的横截面

梁的安装方式为：梁长的 9/10 安装在当前跨， 1/10 安装在下一跨。梁的接头将采用 10 厘米厚的灰浆接缝，该接缝与下部预应力（在接头处）和连续板重叠。

为使应力过程更简便，并减少桥面和板中的偏移块数量，简化施工流程，从而选择采用中心预应力。

预应力可分为三类：

—预应力预制梁。这是根据承受桥面和板的重量所需的最小预应力进行计算的。

— 降低梁的预应力。这是在梁下层板上的水平外部预应力。梁的底部接头是通过在前一阶段将下部预应力筋重叠来实现的。

— 桥面板上部预应力。这种预应力也是直线型的，施加在受压板上，在梁腹板之间的区域。在这种情况下，钢束通过连接器连接，连接点距离梁的接头稍远。

每个跨段的缆索数量会因在桥面内的位置不同而略有差异。

图 7. 预制梁的吊装

3  施工流程

该桥的总体施工流程包括桥面和拱的悬臂施工系统，以及桥墩的施工，桥墩由桥面、拱和临时三角支撑构成。桁架由受压弦杆（拱）、受拉弦杆（桥面）以及临时拉杆（斜杆）组成。

对于桥梁的每个半拱，其4个跨度内的总体施工过程可分为几个重复的阶段：

—安装 3 节预制段拱组，并定位几根临时支撑杆。对节段之间的下部肋和上部板进行混凝土浇筑。重复预制节段的推出作业，直至到达桥墩位置。

—现场浇筑桥墩隔板混凝土，并安装由两根 HEB-360 组成的临时拉杆。

—采用爬模施工桥墩混凝土。安装预制梁并浇筑湿接缝混凝土。

—对前一跨桥面的拉索进行张拉，并对主梁腹板之间的桥面板进行混凝土浇筑。拆除临时钢筋。

图 8. 施工阶段示意图

每个半拱被划分为 30 个每段长 2.50 米的节段。此外，还有起始节段，该节段部分预制（以确定拱线的初始方向），部分现场浇筑；以及3米长的拱顶节段，它是拱的封顶石。

拱的预制部分仅由底板和两侧腹板构成，直至上层桥面板的下部（见图 3 ）。

每一段都在预制混凝土工厂中预制完成，配有特定的模板，以便与前一段相匹配。安装工作以每 3 段为一组进行。每一段通过在腹板上端的两根预应力钢筋以及腹板中部的两个临时装置与前一段连接。采用环氧树脂将各段连接起来。

每 3 段一组，用 2 根临时钢筋与桥面板连接，以尽量减少节段间的局部加强连接。之后浇筑上部板，这是拱段之间唯一的整体连接。

如前所述，桥面采用 “U” 形预制混凝土箱梁建造（见图 7 ）。

在每个半拱的三根横梁上，必须预留开口，以便安装临时拉杆。

这些拉杆从桥面的上部用每根拉杆两个液压千斤顶进行了调整。如上所述，在拱的施工过程中，仅需对梁腹板之间的板段进行混凝土浇筑。

在完成拱和桥面施工之后，悬臂部分最终采用混凝土建造，以在施工期间尽量减轻结构的自重。

悬臂的混凝土浇筑是通过一台移动式龙门架来完成的。

4  所需计算

如上所述，拱桥的施工方法具有很高的复杂性。需要考虑大量的不同施工阶段以及由于拱和上部结构分段浇筑混凝土而导致的截面变化。

图 9. sofistik中的施工阶段视图

图 10. 梁架设完成后在 sofistik 中的施工阶段  

— 由于上部结构有三种不同的预应力，作用在不同的横截面上，因此有必要在施工过程中验证拉应力，以预测梁中的裂缝。

— 在施工的几个阶段中，临时支撑杆和拉杆中的轴向力必须进行多次调整。

— 在施工现场进行了地形水准测量。调节拱的挠度的唯一方法是调整拉杆的轴向力。因此，有必要分析这些变化及其对结构的影响。这甚至因施工现场紧张的工期而变得更加复杂。

— 不同的施工阶段以及构件刚度的变化对受力情况 有着显著的影响。在极限状态设计以及正常使用状态分析中均已将这些因素考虑在内。

— 由于预制构件与现场浇筑构件之间的相互作用，徐变和收缩变得十分重要。

Sofistik 的模块 CSM （ “ 施工阶段管理器 ” ）被用于重现拱桥及其所有施工阶段。它采用表格形式的输入来定义阶段、附加荷载和徐变步 骤。

5  在SOFISTIK中实现的模型

图 11. sofistik中 模型的透视图

计算中采用了带梁的空间框架模型。上部结构和拱的截面根据其相应的施工阶段进行了定义。

图 12. “AQUA” 中定义的横截面 

由于 “AQUA” 中已分配了部分区段，因此相应的自重会在对应的施工阶段自动激活。使用不同的材料编号是为了能够对横截面进行应力分析。

图 13. 在 “AQUA” 中输入横截面 

根据架设流程确定了梁的组号。临时支撑杆和拉杆的拆除需在 CSM 的 “grp” 命令中予以明确。

 

上部结构的下部预应力已在预制厂施加，因此仅具有静定部分。通过其激活，上部 结构的每根梁都通过一个只允许旋转而不允许平移的弹簧元件与前一根梁固定在一起。这样就可以避免下部预应力的超静定反应。当两根梁的接头浇筑混凝土时，弹簧元件会失效。 这是通过在具有较高组号的两个梁之间设置10cm的较短梁单元来实现的。  

还必须为发射龙门架的重量、临时活载、恒载以及拉杆的张拉定义附加荷载。 这种张拉是通过与千斤顶运动相对应的轴向附加应变实现的。

6  结果

在与 “ 施工阶段管理器 ” 的分析中，能够计算出不同阶段产生的力，并对拱段和上部结构进行应力检查。

图 15. 自重作用下的轴力和弯矩演变

图 16. 预制梁自重作用下底部和上部边缘的拉应力变化

图 17. 谢萨 高架桥景观图