新建铁路大跨度钢箱拱桥转体施工控制分析

贾建平

(中铁十七局集团 第二工程公司，西安 710000)

1 工程概况

新建铁路跨越高速公路某桥采用的是(32+108+32)m中承式钢箱混凝土拱连续梁体系，为该线路的节点桥之一，也是我国新建铁路中首座钢箱拱转体桥。大桥主要由44节拱肋与主纵梁段、33片横梁和128片小纵梁组成，最大吊装高度34 m，最重节段的质量为81.5 t。主纵梁、一字撑、K撑和支墩均采用钢箱截面。其中，主纵梁截面宽1.6 m，高2.1 m，两片主纵梁中心距12 m。边拱肋与主拱肋为变高度钢箱混凝土截面，拱肋截面宽1.6 m，拱轴线采用二次抛物线。其中，主拱矢高24.0 m，边拱矢高12.4 m。两片主梁之间采用纵、横梁联结系，除端横梁为箱形截面外，其它横梁和小纵梁均为焊接工字钢截面。纵、横联结系上面铺设宽13.6 m、厚30 cm的钢筋混凝土桥面板。拱桥吊杆采用φ122 mm的圆钢，间距5.4 m。桥型布置如图1所示。

2 总体施工方法

该桥跨越高速公路，且在既有京沪线旁，为不影响繁忙的高速公路通行，又能绝对保证既有铁路的正常运营，各钢结构采用工厂分段加工制造，在现场沿高速公路两侧搭设支架分为对称的两部分现场拼装、焊接成形，然后采用平面转体法转体合龙，单侧转体质量3 800 t，转体角度分别为 81°和 99°。

为保证结构的安全，且使得中跨合龙的标高满足设计需要，施工时考虑在主纵梁上搭设一个索塔，并用扣索分别拉住前端和后端，形成一个自锚结构体系。拱脚至索塔顶总高为40 m，自主纵梁向上的索塔高度为27 m，采用八三墩杆件拼组而成。转体结构及索塔断面如图2所示。索塔两侧为分离式扣索，扣索采用30束7-φ5 mm钢绞线，利用扣索克服索塔两边钢箱拱自重，使拱肋脱离支架，形成转体结构。扣索两边角度不等，受力不等，索塔为压弯受力结构。为保证索塔只承受压力，索塔底部采用铰接。

图1 桥型布置(单位:m)

图2 转体结构(单位:mm)

3 施工工序

该桥为该新建铁路的重点桥梁之一，其结构的线形直接影响到轨道的铺设以及其受力特性，施工过程比较复杂。主要施工步骤有:①主墩桩基础和边墩钻孔桩施工，基坑开挖，边墩承台、主墩承台及千斤顶反力座、牵引反力座施工，安装转体滑道和中心限位装置。顺京开路方向施工上转盘，试转动后，安装钢拱座及拱脚钢横梁。②顺高速公路方向在支架上拼装钢箱拱肋、支墩、纵横梁、横撑、人行道等钢构件，先灌注钢拱座内混凝土，然后顶升边拱肋顶升段混凝土，最后灌注边拱肋端部混凝土，临时固结钢拱座和上转盘，安装桥面板永久钢底模、扣索、塔架及平衡重等。③按照施工顺序第一次张拉扣索，安装两根较长吊杆并施加预拉力，然后安装中间吊杆并施加预拉力，最后安装两根较短吊杆并施加预拉力，全部脱架完成整个转体系统施工。

4 转体体系平衡控制分析

对半跨钢箱梁转体结构建立空间计算模型，其中，钢箱梁的主纵梁、横梁及小纵梁采用梁单元;索塔采用等刚度截面梁单元模拟，并释放梁底转角约束;吊杆采用桁架单元;扣索只采用扣索单元，主要进行施工过程中的转体体系平衡计算、脱架过程模拟计算以及合龙前高程计算，从而确定平衡重配比，扣索张力大小等。

进行转动体系平衡计算的关键在于建立精确的计算模型，模型产生的自重须与实际相符，建模时对钢箱梁各个节段的重量进行仔细核对，根据截面的不同采用逐段荷载加载方式。将拱脚处进行全约束，若拱脚两边(边跨及中跨)重量分配相等，则拱脚处的弯矩为0，若拱脚两边重量分配不等，则会在拱脚处产生纵向不平衡弯矩，应根据该值来确定平衡重的重量。计算模型见图3。

图3 转体体系平衡计算模型

通过施加自重荷载，计算得拱脚处的不平衡弯矩13 000 kN·m，在边跨梁端配1 000 kN的平衡重。施加平衡重后，拱脚处弯矩减小为2 000 kN·m，由 e=M/G(M为不平衡力矩，G为转体结构总重)计算得偏心距为0.06 m。

转动支承系统须满足转体、承重及平衡等多种功能要求。该桥转动体系的转盘尺寸较大，为撑脚支撑。撑脚主要布置在横桥向两侧，转体钢箱梁的抗倾稳定逊于布置在顺桥轴向上。整个转体结构的重心越接近转动中心，撑脚的受力越平均，越有利于平转顺利实施。通过对该桥转动施工过程的实时监控，配置平衡重后，整个结构具有良好的稳定性能。

5 施工过程内力及线形控制

5.1 支架组成

支架为八三墩拼组而成，各段钢箱梁在支架上进行拼装，如图4所示。各段钢箱梁在支架上焊接成形后，安装索塔与扣索，随后灌注边拱肋端部箱内混凝土。钢箱梁材质为Q370qE，灌注混凝土为C50。计算中，采用施工阶段联合截面来模拟边拱肋的刚度变化。支架采用只受压边界条件进行模拟，当该边界条件不受力时，即表示该支架脱架。扣索张拉采用施加初拉力的方法来模拟，其拉力主要由以下三个方面确定:一是保证索塔受力稳定，二是保证转体前支架全部脱架，三是保证钢箱梁的倾覆稳定，即保证拱脚处弯矩尽量小。

图4 钢箱梁拼装支架布置(单位:m)

5.2 扣索拉力

施工中分两次张拉扣索。边拱肋端部灌注完混凝土及配重后，进行第1次张拉;待安装完3组吊杆后(由长至短进行安装)，进行第2次张拉。吊杆张拉力(由长至短)分别为 50 kN、40 kN、100 kN、20 kN，50 kN。两次扣索的张拉力如表1所示。

扣索采用7-φ5 mm钢绞线，抗拉标准强度为1 860 MPa，计算得单根扣索的轴向应力为646 MPa，为标准强度的35%。

表1 扣索拉力值 kN

5.3 索塔受力

计算得索塔所承受的最大竖向力为2 650 kN。按四肢组合构件，缀条为角钢∠80×80×10来计算索塔结构的整体稳定性。先计算出换算长细比，查出稳定系数，再按轴心受力构件计算受压稳定。换算长细比λ0y为

式中，λ0y为整个构件对 y轴的换算长细比;λy为整个构件对y轴的长细比;A1x为构件截面中垂直于x轴的各斜缀条毛截面面积之和;A为构件的毛截面面积;［λ］为容许长细比，此处为150。

计算得索塔整体受压强度为87 MPa＜［σ］=215 MPa。索塔结构无论杆件受力，还是整体受压，均满足要求，并有较大的安全储备。

5.4 钢箱梁受力

转体施工过程计算中，当拆除梁上支架及部分主梁支架时，在拱肋与主梁固结位置处，梁体出现的最大应力为48 MPa。整个施工过程中，梁体应力较小，表明该施工方案有利于控制梁体合龙前的体内应力。

5.5 线形控制计算

1)全部脱架后，转体前，前端索力2 200 kN，后端2 700 kN，配重650 kN，主纵梁位移为 +2 cm，梁端位移为+1.45 cm。结果见图5(a)。

2)转体到位后，梁端横梁灌注混凝土，梁端落于支座上，位移为0，主纵梁梁端位移为 +3.9 cm，索塔横向位移为2.2 cm。位移结果见图5(b)。

3)中拱肋扣索增张拉160 kN，边拱肋扣索增张拉200 kN(边拱肋扣索的张拉是为了保证索塔顶部的位移)，主纵梁端由 3.9 cm上升到6.8 cm，索塔顶部横向位移2.2 cm。位移结果见图5(c)。

4)合龙时，主纵梁跨中位移+6.6 cm，索塔顶部横向位移2.2 cm。见图5(d)。

5)拆除扣索后，主纵梁跨中位移 +5.8 cm(该值为设计合龙预拱度)。见图5(e)。

6)分级卸载时，主纵梁梁端位移与塔顶横向位移见表2。

图5 线形控制计算步骤

7)线控结论。计算结果与实际施工时的测量结果吻合得较好，由于影响位移的因素较多，除了严格依据理论计算结果作为施工指导外，还需加强现场监控。在后端索力2 700 kN、前端索力2 200 kN、后端配重650 kN、后端位移+3 cm、主纵梁前端位移 +4 cm的情况下，转体到位后，后端到位并压上另一跨混凝土梁后会引起主纵梁前端位移上升，此时，需严密监控该过程中主纵梁的上升高度，并适当调整索力。根据计算结果，合龙并放松索力后，主纵梁跨中下挠1 cm，因此，在后端落梁后，需保证主纵梁端上挠+6.8 cm，也就是拱肋的合龙上挠值。为保证前端的上挠值，需要微调张拉或放松扣索。该桥已于2010年5月顺利转体合龙。

表2 主纵梁位移和塔顶横向位移

6 结语

转体施工已逐渐成为一种比较成熟的桥梁施工方法，尤其是对修建处于交能运输繁忙的城市立交桥和铁路跨线桥，有着明显的优势。转体施工过程的内力及线形控制对成桥有很大的现实意义。通过对新建铁路跨高速公路钢箱拱转体桥有平衡重不对称平转法施工过程的内力及线形控制分析，论证了该桥施工方案合理可行，并且通过实测数据与理论数据的比较，表明了计算结果与实际的发展趋势相对应，为该桥安全顺利地进行转体并合龙提供了保障，同时也可为今后同类桥梁施工提供借鉴。

［1］张联燕，谭邦明.桥梁转体施工［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］向中富.桥梁施工控制技术［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］周丹，褚奇，黑世强.钢筋混凝土拱桥转体施工的仿真分析［J］.交通科技，2008(2):28-30.

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