洪奇沥水道桥大跨度柔性拱施工方案研究

黄剑锋,周 洁,卢 鹏

(1.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,北京 100088；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北 武汉 430040；3.中铁大桥局集团有限公司,湖北 武汉 430050)

随着我国铁路桥梁进入21世纪后的飞速发展，各类桥式跨越能力也越来越大。其中“刚性梁+柔性拱”这类结构具有很好的跨越能力和竖向刚度，正是由于上述特点，其特别适合铁路大荷载和大刚度的要求，因此在铁路上得到了广泛的应用。在这类结构中又以“刚性钢桁梁+柔性钢箱拱”的跨度最大，并且随着时间的推移还在不断加大，柔性拱的相对刚度也在不断降低，在钢拱未成形的施工期拱肋稳定问题更为突出。因此如何保证施工期拱肋受力的稳定性满足要求，是此类结构施工的关键所在，也是选取施工方案时考虑的重要因素。

本文以南沙港铁路跨越洪奇沥水道桥作为研究对象，研究不同施工方案的优劣。

1 工程概况

南沙港铁路洪奇沥水道桥位于广东省中南部。桥梁在下横沥水道和洪奇沥水道交汇处下游0.5 km处跨越洪奇沥水道，分别连接中山市的小榄镇和三角镇。桥位处地质由上而下主要为淤泥质黏土、粉质黏土、中砂、砾砂、全风化、强风化及弱风化花岗片麻岩，其中淤泥质黏土层厚度达到20～30 m以上。桥位处设计水流速度v=1.13 m /s,受潮汐影响明显。本地区属季风气候区，季风明显，风向以偏东风或东南风为主，区内台风集中在7—9月份，最大风速可达35.4 km/s。

洪奇沥水道桥上部结构采用(138+360+360+138)m下承式刚性桁梁柔性拱结构。2片主桁桁高16 m、主桁间距15 m，宽跨比1/24；拱肋矢高65 m。钢桁梁采用华伦式，节间长度为13.5 m和14 m，全桥共计72个节间[1]，桥式布置如图1所示。柔性拱采用焊接箱形截面，截面高度在拱脚至拱顶由2.3～1.8 m变化，钢板厚度40～44 mm,在拱脚与钢桁梁交叉处设计有转角，在跨中设计1段2 m长的合龙段，合龙段采用钢板现场拼焊。吊杆采用高强度平行钢丝拉索，吊杆采用梁端张拉，最大张拉力 2 000 kN。钢桁梁杆件采用高强螺栓连接，柔性钢箱拱采用焊接。全桥钢结构质量约2.8万t，其中钢拱质量约5 600 t。

图1 桥式布置(单位:m)

2 施工方案

2.1 钢桁梁施工方案简述

钢桁梁施工主要采用悬臂拼装。其中边跨采用单悬臂由2个过渡墩(237#,241#)向中跨拼装,在边跨设计有拼装支架。中跨采用双悬臂拼装，由239#墩向两侧拼装,并在239#墩设置墩旁托架及临时杆，用于安装墩顶4个节间钢桁梁及2台架梁吊机，同时也可保证钢桁梁在双悬臂拼装未到达临时墩过程中的结构抗风稳定性。最后在2个主跨跨中设置合龙口。拼装过程中共计使用4台架梁吊机。为了保证结构受力安全和合龙口线形，2个主跨共设置有4个临时墩，通过过渡墩和临时墩上的调整装置来调整钢桁梁安装过程及合龙口线形,其布置如图2所示。

图2 钢桁梁施工方案总布置(单位：m)

2.2 钢拱竖转方案

钢拱原设计采用竖转方案，在拱肋与钢梁上弦杆交点处设置转铰，在拱肋跨中设置一段2 m长的合龙段。首先分别在3个主墩钢梁顶面安装高度80 m的扣塔(扣塔采用1台230 tm塔吊拼装)，然后同步在钢梁顶面设置拱肋拼装支架，利用4台架梁吊机拼装拱肋，最后在每侧竖转拱肋上布置2组扣锚点和背面1组反拉点，通过扣塔顶部的连续千斤顶同步张拉使拱肋竖转至设计位置，并通过对索力的控制调整拱肋的线形[2]。最后安装跨中2 m合龙段，完成1孔拱肋的安装。完成一孔合龙后，再采用相同的方法完成另一孔拱肋的竖转安装，待2孔拱肋均合龙完成后拆除竖转拉索体系。

拱肋竖转施工布置如图3所示。

图3 拱肋竖转布置(单位：m)

由于钢箱拱自身稳定性较差，因此竖转过程中需要设置1组背索来保证结构稳定性满足要求。拱肋竖转过程中需要有可靠的措施来保证2组拉索和1组背索能够高精度同步；同时拱肋竖转到位后，单侧拱肋只有2组锚点，调整结构线形十分困难，无法实现拱肋的无应力合龙[3-5]。最后由于本方案中需要拼装3组高度达80 m扣塔，在广东沿海台风多发地区其施工难度较大，风险较高。

2.3 钢拱提升方案

鉴于上面提到的大跨度柔性拱竖转方案存在的施工难度大、安全风险高等特征。为了解决拱肋稳定性差的问题并满足结构无应力合龙，同时降低扣塔的施工难度，最终通过方案比选选择了“三大段+提升”的施工方案[6]。方案具体实施方法为：在钢桁梁的上弦设置拱肋临时拼装支架体系，利用全回转桥面吊机进行柔性拱杆件的卧拼施工。其中单跨钢拱两侧前3个节段采用原位支架法拼装，中间部分采用异位卧拼，卧拼从中跨向边跨的顺序进行。拼装过程中同步完成临时墩的接高，将其接高至钢桁梁顶面50 m以上处，用作后期拱肋的提升塔架。提升前需对拱肋提升点处进行加固，同时为了保证拱肋受力和线形满足要求，在拱肋上提升点附近设置1道水平索。中间段拱肋卧拼完成后通过提升塔架进行拱肋整体竖向提升，提升到位后通过水平索索力、竖向提升点的标高来调整中间段拱肋的线形，然后分次安装合龙段，完成拱肋合龙[7-8]。最后进行拱肋吊杆的安装和张拉施工(在完成拱肋提升点附近3根吊杆安装及张拉后，即可解除提升吊点)，完成结构体系转换[9]。拱肋竖转方案如图4所示，左侧为中段拱肋已经拼装完成，右侧为中段拱肋已提升到位。

图4 拱肋竖转方案布置(单位:m)

3 施工方案计算及比选

3.1 竖转施工方案计算

拱肋竖转采用先边跨竖转到位后，再中跨侧拱肋竖转的方式进行。两侧均竖转到位后施工合龙段，完成一跨拱肋合龙，然后再进行另一跨的拱肋竖转。竖转计算共计分为3个工况。工况1，拱肋竖转过程计算；工况2，拱肋第1次合龙；工况3，拱肋第2次合龙。

工况1模拟竖转过程中结构受力，分为4个子工况，采用杆系单元建立钢梁、扣塔和拱肋的整体计算模型。

竖转过程中拱肋及扣塔的最大应力88 MPa。结构应力满足要求。

根据模型计算，2次合龙计算结果见表1。

表1 合龙计算结果 kN

第1次合龙时，边跨和中跨拱肋合龙口竖向位移分别为-4,-2 mm；水平位移分别为-6 mm,0。拱肋最大应力89.1 MPa。第2次拱肋合龙口两侧竖向位移均为-1 mm，拱肋最大应力89.6 MPa。根据计算模型可知拱肋合龙前和拱肋合龙后吊杆挂设前，其整体结构屈曲系数分别为8.0和7.8，均大于4，满足要求。

3.2 提升施工方案计算

根据拱肋提升施工流程，2孔拱肋施工方法完全一致，单孔提升过程可分成2个计算工况：工况1，拱肋提升脱架；工况2，拱肋第2次合龙。

在工况1中主要对拱肋受力进行验算。利用MIDAS/Civil 2017建立拱肋提升状态计算模型，模型中拱肋及其连接系均采用杆系单元，拉索采用索单元，在提升点处进行约束。通过调整索单元的初始拉力来试算结构受力状态，使其结构变形满足要求。

通过计算模型的验算，得到拱肋提升状态下提升点的最大反力 4 825 kN，单侧水平索拉力 5 760 kN，结构最大组合应力113.2 MPa，结构屈曲稳定性系数7.0，大于4.0，均满足要求。拱肋提升到位后，通过两侧提升吊点高度来调整拱肋第1合龙口处转角，并实施第1次合龙，此时拱肋受力状态未发生变化。

工况2也用MIDAS/Civil 2017建立拱肋计算模型，此工况主要验算结构的受力和合龙口的线形。其中合龙口的线形主要通过提升吊点的位移、合龙口处施加的竖向水平力以及水平索索力调整来实现。通过试算不同的水平索的拉力及合龙口处竖向反力，最终得到一组控制力来满足线形要求。结果如表2所示。根据表2数据可以看出，拱肋合龙线形控制精度较高，同时结构应力较小。

表2 拱肋第2次合龙参数

3.3 方案对比

将竖转方案和提升方案进行全面对比，对比结果见表3，最终确定提升方案为本项目实施方案[10]。

表3 柔性拱施工方案对比

4 结语

南沙港铁路洪奇沥水道桥在大跨度铁路桥梁中具有结构轻巧、承载力大的特点，但施工过程结构受力复杂，风险高，线形控制难度大。在本项目施工方案研究中根据拱肋施工过程中受力特点对2个方案进行全面的验算，并结合钢梁架设方案，充分利用钢桁梁施工所建临时结构，最终得到一个安全、经济、操作简便的方案，可为今后类似桥梁结构提供借鉴。