南叶公路桥主桥施工过程中两个关键技术问题的探讨

董宇路

（上海城投航道建设有限公司，上海市 200092）

1 工程概况与问题的提出

南叶公路桥是上海市大芦线航道整治二期工程跨航道桥梁工程中的一座桥梁。主桥采用一跨跨越航道，主桥跨径为127 m。上部结构为下承式系杆拱桥，横向采用两片拱肋，拱轴线为二次抛物线型，计算跨径为124 m，计算矢高24.8 m，计算矢跨比1∶5。主桥桥宽34 m，车行道与非机动车道位于两片拱肋内侧，人行道与机动车道分离，悬挑在拱肋外侧。主桥的立面见图1，断面见图2。

图1 主桥立面图（单位:mm）

图2 主桥断面图（单位:mm）

纵桥向主桥两端通过竖向支承支座（每端各设两个支座）作用在桥墩上，为外部简支体系。上部结构由钢管混凝土拱肋、纵梁、中横梁、端横梁、柔性吊杆及后浇纵梁、后浇桥面系组成。拱肋采用钢管拱，钢管形状为圆端形，采用Q345D钢材；拱肋成形后，钢管内灌注微膨胀C50混凝土。拱肋间设置风撑，确保拱肋空间稳定。拱肋内设吊杆张拉端锚具。吊杆均为平行吊杆，间距5 m，全桥共设22对（共44根），所有吊杆均位于拱肋平面内；吊杆钢束采用环氧喷涂钢绞线成品索。纵梁与横梁采用预应力混凝土结构，预应力体系采用Φs15.2高强度低松驰钢绞线，标准强度为1 860 MPa，波纹管采用塑料波纹管。桥面系设2%横坡，桥面板为等厚度250 mm钢筋混凝土结构。主桥每个主墩基础采用27根直径为1.2 m的混凝土钻孔灌注桩，桩长63 m。

为了减轻施工期间对航道的影响，主桥施工采用先拱后梁的施工方法，即：在河道中搭设两个临时支墩作为架设拱肋节段的支架，拱肋分三段吊装，拱肋与风撑安装完毕后按计算控制值张拉临时水平拉索，然后分两次灌注拱肋内混凝土并按相应的计算控制值分两次张拉临时拉索，确保水平止推装置在拱肋支架拆除前不受力，仅起水平向限位的作用；随着桥面混凝土横梁的吊装，通过按计算控制值张拉临时拉索来控制止推装置的受力，在系梁整体形成且张拉预应力之前，拱肋的水平力由临时拉索与止推装置共同承受；当所有横梁吊装完毕、系梁浇筑整体形成刚度后，分批张拉预应力钢束，系梁的预应力分次“替换”临时拉索与止推装置中的水平力，并分批拆除临时拉索，当然，在系梁预应力张拉过程中，也要有效控制系梁混凝土的压应力水平；所以，在主桥施工过程中，主要存在两个关键技术问题-临时水平拉索与水平止推装置的共同受力与系梁预应力的张拉控制，必须经过详细的分析并得到充分的解决，才能确保施工的顺利进行。

上海城投航道建设有限公司是本桥的建设管理单位，对整个桥梁的施工进行了全面的技术管理，参与讨论与分析并解决了主桥施工过程中存在的一些关键技术问题，特别是以上提出的两个关键技术问题。以下对此进行总结。

2 主桥结构分析的计算模型

对以上两个关键技术问题的分析离不开对主桥施工过程的结构分析，这里先来介绍一下主桥结构分析的计算模型。

主桥结构分析的计算模型采用结构分析软件Midas建立，模型中采用的单元有三维梁单元、杆单元与板单元；其中，桥面板采用板单元模拟，吊杆采用杆单元模拟，其余结构均采用三维梁单元模拟。由于施工过程中拱脚处水平止推装置承受水平力，而水平力通过立柱传递到基础，所以计算模型必须考虑桩-土刚度，桩-土刚度采用土弹簧模拟，弹簧刚度根据m法利用规范[1]中的计算公式计算得到。此外，桩与承台间连接采用刚性连接进行模拟，支座采用弹性连接进行模拟，止推装置采用单向弹簧支座进行模拟。

主桥结构计算模型见图3。整个计算模型中共有：梁单元2 868个，板单元3 572个，杆单元52个，包括48个吊杆单元及8个临时系杆单元，节点数合计5 730个。

图3 主桥计算模型的几何图

此外，需要说明的是，利用Midas建立的主桥结构分析的计算模型，根据施工图设计图纸详细划分了各个施工过程，在这里不再一一介绍。

3 临时水平拉索与止推装置水平力的控制

如上所述，主桥施工采用先拱后梁的施工方法，在系梁整体形成且张拉预应力之前，拱肋的水平力由临时拉索与止推装置共同承受。根据施工图设计的施工顺序以及施工监控方案，临时拉索分6次张拉，见表1。

表1 临时拉索分次张拉的施工顺序

全桥共有22片横梁，表1中横梁的编号从拱脚处到跨中依次为HL1～HL11，每个横梁编号代表了以拱肋中心线为对称的两片横梁，施工时南、北两侧的横梁必须对称吊装。

利用主桥结构分析计算模型，并经过多次优化，得到每个阶段每根临时拉索的张拉力以及对应阶段的单片拱肋水平力与单对止推装置所承受的计算水平力，见表2。全桥共有8根水平临时拉索，安装于两侧端横梁与拱脚处各4根；并且安装了两对水平止推装置，每片拱肋各一对。

从表2的数值可知，在临时拉索第3次张拉完成后，拱肋止推装置还没有受力。根据表2的计算结果，选取几个代表施工阶段对拱肋水平

表2 临时拉索各个张拉阶段的结构水平力计算值

力、临时拉索拉力与止推装置水平力进行了计算，见表3。

表3 各代表施工阶段的结构内力计算值

由表3的数据可以得到，止推装置在拱肋支架拆除后开始承受水平力，初始水平力为118 kN，当系梁浇筑完成且未张拉预应力时，止推装置承受的水平力为最大，达4 009 kN，小于设计允许值5 000 kN-综合考虑了立柱、桩基与止推装置本身的允许承载能力；此时，单片拱肋的水平力为21 287 kN，而单根临时拉索的拉力为4 319 kN，相比张拉控制值4 300 kN增加很少。

以上计算得到的临时拉索与止推装置水平力控制值是在理想的施工条件下得到的，没有考虑环境温度变化等因素的影响。根据当时的实际施工情况，拱肋在5月份合龙，而系梁的浇筑将在炎热8月～9月份完成，所以结构的受力将受到环境温度变化的影响。经分析，主桥结构受整体升温作用时，止推装置限制主桥结构的水平向变形，会产生一个附加的推力，这个附加力会影响施工过程止推装置受力的安全性；在计算附加力的时候，考虑了地基土m值的两种取值情况，第1种情况：21 m以上为淤泥层，取m=3,000 kN/m4，21 m以下取m=5,000 kN/m4；第2种情况：m值统一取为5,000 kN/m4。在考虑结构整体升温温度取值的时候，综合考虑了拱肋合龙温度与系梁合龙温度的差值以及系梁合龙段施工日可能的最高温与最低温的相对差值，取为15度对于结构来说应该是相对安全的。结构整体升温15度对临时拉索以及止推装置水平力的影响见表4。

表4 整体升温15度对结构要素受力的影响

根据表4的计算数据，可以得到以下分析结果及施工建议：

（1）地基上层土m值取3 000～5 000 kN/m4对计算结果影响很小。

（2）在主桥系梁刚度未形成之前，结构整体升温引起拱脚止推装置的附加水平推力相对较小，为500 kN左右；在系梁刚度形成之后，结构整体升温引起拱脚止推装置的附加水平推力相对较大，为2 000 kN左右。

（3）如果考虑15℃的整体升温，在系梁浇筑完成、系梁预应力张拉之前，拱脚止推装置的计算水平力可能达6 000 kN左右，超过设计的允许水平力；但是，考虑到整体升温会使临时拉索受压，也即拉索的拉力会有所降低；根据当时临时拉索的监测数据，拉索的现存拉力小于张拉目标值，所以建议施工单位在系梁湿接头混凝土浇筑前，对临时拉索进行补张拉或适当超张拉，以减小止推装置所承受的水平力，确保施工的安全。

（4）在系梁混凝土浇筑时，要合理确定其合龙温度，尽量降低结构的体系升温效应，减小拱脚止推装置由结构整体升温引起的附加水平力；并且在施工时要加强监测主墩与水平止推装置的受力。

4 系梁预应力张拉的控制与优化

在系梁没有张拉预应力之前，拱肋拱脚的水平力由临时水平拉索以及拱脚处水平止推装置共同承受，控制好临时拉索以及止推装置的受力是主桥施工能够顺利进行的关键一步，随着系梁浇筑完成且形成刚度后，以“等量替换水平力及确保系梁受压”的原则来控制系梁预应力的张拉。

根据表3的计算结果，当系梁全部浇筑完成后，单片拱肋总的水平力为21 287 kN，并依据施工图设计的施工顺序以及施工监控方案，经过详细的分析，建议临时水平拉索拆除时机如下：

（1）第 1阶段：张拉完腹板钢束 N3、N4、N5后拆除端横梁处四根临时水平拉索；

（2）第2阶段：张拉完腹板N6钢束和2束N1钢束后，视具体情况，若水平止推装置已经与主墩分离，则拆除拱脚处四根临时水平拉索，若还未分离，则继续对称张拉两束N1底板束，再拆除拱脚处四根临时水平拉索。

系梁钢束布置截面见图4，图4中编号N1-1表示：N1是钢束编号，钢束编号后-1表示张拉顺序，其它钢束同此。

图4 系梁钢束布置截面图

根据临时水平拉索拆除时机，各个阶段系梁预应力总张拉力与未“替换”水平力见表5。由表5的数据可得，第1阶段系梁预应力的张拉，有效“替换”了绝大部分由临时拉索与止推装置承受的水平力，拆除端横梁处四根水平临时拉索是安全的；第2阶段预应力张拉完成后，系梁预应力总张拉力大于由临时拉索与止推装置承受的水平力，理论上止推装置与主墩已分离，可以拆除拱脚处的4根临时水平拉索，所有水平力被有效“替换”。

表5 各个阶段预应力总张拉力与未替换的水平力

为分析系梁浇筑完成后、预应力张拉与临时水平拉索拆除等施工过程对系梁应力的影响，人为地把系梁浇筑完成后至主桥成桥按施工顺序划分了多个施工阶段。特别需要说明的是，根据施工图设计的施工顺序，桥面板施工之前应张拉完所有的系梁预应力；根据分析结果，在所有预应力张拉完后，在近拱脚的系梁湿接头处上缘出现19.0 MPa左右的压应力，虽然这个压应力能够满足规范[2]规定的施工过程短暂应力的要求，但是，由于没有考虑温度效应、剪力滞效应以及其它一些因素的影响，实际的压应力可能要大于这个值；根据工程设计经验，施工阶段C50系梁混凝土的压应力一般控制在18 MPa以内。所以，在实际的施工中对预应力钢束的张拉顺序进行了优化，把顶板钢束N7的最后两束在桥面板施工完成后再张拉，这样可以有效控制混凝土的压应力。各个施工阶段系梁混凝土的最大压应力见表6。

表6 各个施工阶段系梁混凝土的最大压应力

根据计算分析结果及表6的应力数据可以得到，系梁在预应力张拉、临时水平拉索拆除至最终的成桥过程中处于全截面受压状态，且最大压应力控制在比较合理的限值内，这也进一步说明，系梁预应力钢束张拉顺序的局部优化还是非常必要且十分有效。

5 结语

南叶公路桥主桥一跨过河，采用跨径127m的钢管混凝土系杆拱桥，为减轻施工期间对航道的影响，采用先拱后桥的施工方法；主桥施工过程工序较多且比较复杂，施工过程需要解决的技术问题较多，经仔细分析，临时水平拉索与水平止推装置的共同受力与系梁预应力的张拉控制是主桥施工过程的两个关键技术问题。

由于本桥的建设过程中及时关注并顺利解决了以上关键技术问题，使整个建设过程推进比较顺利。目前，南叶公路主桥结构的施工已经顺利完成，本桥成功实施的技术经验路线可为同类型桥梁的建设提供有价值的参考。