大跨度系杆拱连续梁拱肋拖拉施工对连续梁结构安全影响研究

苏天聪

（沈阳大学，辽宁沈阳110044）

1 工程概况

京广特大桥35#～41#箱梁为现浇无砟轨道后张法预应力混凝土双线简支箱梁，桥面宽度为12.6m，计算跨度为24.77m/32.8m。41#～44#为三孔72+128+72m 直吊杆体系连续梁拱桥，拱肋垂直布置，支座中心至梁端0.85m。系梁横截面采用单箱双室变高截面，边支点断面高4.0m，中支点断面高7.5m，采用C55 混凝土。拱肋采用二次抛物线，矢跨比f/l=1∶6，矢高21.333m，拱肋截面采用等高度哑铃型截面，内填C55 补偿收缩混凝土。吊杆间距为6.0m，采用PES(FD)7-109 型低应力防腐拉索。两拱肋间共设3 道钢结构一字横撑及4 道K 撑。

2 拱肋拖拉方案设计

该桥钢管拱肋采用异桥位拼装钢管拱，然后采用连续拖拉的方法，将钢管拱整体纵移就位，纵移距离255.2m（见图1）。

图1 桥梁纵断面图

2.1 滑移系统设计

2.1.1 轨道设计

轨道走行路径位于曲线上，以京广36#～39#墩墩中轴线和42#～43#墩墩中轴线为直线段，两直线相交后，转角为2o53′44″，采用R=1500 圆曲线进行过渡。

2.1.2 走行轮组设计

全桥前后左右共设置4 组滑行装置，每组设置4个滑行小车，每组小车设置2 个轮组，全桥共设置32个轮子（厂家定做），轮子允许承载力根据最不利荷载工况进行计算（30.7t）。

2.2 临时拱脚设计

临时拱脚支架自下而上为型钢桁架、4 组双拼56工字钢分配梁、10 组贝雷片横梁。因两组钢管拱间距为12.8m，而临时轮箱支座间距仅有6m，在安装第一节拱时，两边临时支座受力不平衡，会出现倾覆现象，需在临时拱座横向贝雷梁和简支梁翼缘板间每侧各设置3 根20t 倒链，以约束安装第一段拱时的不平衡力。

2.3 拖拉系统设计

钢管拱拖拉采用两点同步拖拉的设计方案，在大里程侧轮箱前方设置拖拉锚点，在拖拉路径上设置3处后锚点，分别在120m、240m、360m 处设置，全桥共设6 个。

在大里程侧每个临时拱座设1 台连续型液压千斤顶，施工时由一个总控台控制两个千斤顶，同时开关，同步同级施力[1]。千斤顶选择拖拉力为250t 连续型（2 台）。

2.4 体系转换设计

第一次体系转换流程：安装压重贝雷片—预紧钢绞线—拆除鞍座。完成由临时拱脚和支架受力到由临时拱脚受力的体系转换。

第二次体系转换流程：拱脚合龙—拆除钢绞线—拆除压重贝雷片—拆除临时拱脚。完成由临时拱脚受力到由永久性拱脚受力的体系转换。

3 拱肋拖拉对永久结构安全影响分析

3.1 工况选择

由于拖拉过程包含吊装过程最不利工况，故只需对拖拉施工工况进行验算[2]。

3.2 模型建立

(72+128+72)m 连续梁拱模型，采用midas 建立全桥有限元计算模型，全桥共283 个单元，270 个节点（midas 模型见图2）。

图2 单元离散图(midas 模型)

3.3 荷载及荷载组合

3.3.1 荷载取值

（1）恒载

结构自重：主梁及拱座混凝土容重取γ =26.0kN/m3，拱肋混凝土容重取γ=23kN/m3，考虑加劲肋等影响，拱肋钢结构容重取γ=98.13kN/m3。

预应力及其次内力[3]。

混凝土收缩、徐变[4]。

混凝土收缩应变和徐变系数按《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092—2017）的规定计算[5]。其中，拱肋混凝土徐变按环境湿度80%计。

（2）顶推施工荷载

（a）拖拉移动荷载

推运车荷载以移动集中荷载的方式施加模拟顶推过程，推运车总重为291.93t，冲击系数为1.5。

（b）临时均布荷载

混凝土垫层：25cm 厚，1.2m 宽，双侧布置，共15kN·m；

60kg/m 钢轨，双侧布置，共2.4kN·m。

3.3.2 荷载组合

顶推过程验算荷载组合为：1.0×恒载+1.5×移动荷载+1.0×临时荷载

3.4 拖拉施工对梁体强度的影响

拖拉施工对梁体强度的影响分析，如图3、图4所示。

图3 主梁恒载+1.5 倍移动荷载弯矩包络图（kN·m）

图4 主梁恒载+1.5 倍移动荷载剪力包络图（kN）

根据《公路桥涵设计通用规范》（TJG D60—2015），构件运送安装阶段强度验算安全系数不低于1.8。顶推过程中，主梁第212 单元（位于拱脚位置）抗弯安全系数最小为2.2，主梁第70 单元（位于拱脚位置）抗剪安全系数最小为2.3，满足规范要求。

3.5 拖拉施工对梁体应力的影响分析

顶推过程主梁上下缘应力图如图5、图6所示。

图5 主梁上缘应力包络图（MPa）

图6 主梁下缘应力包络图（MPa）

注：图中拉为正，压为负。

根据《公路桥涵设计通用规范》（TJG D60—2015）进行顶推施工过程主梁抗裂性及压应力验算[6]。顶推过程中，主梁最大拉应力为-0.82MPa（受压）＜0.8fct=1.89MPa，主梁抗裂性验算满足规范要求；主梁最大压应力为-13.3MPa＜0.8fc=21.2MPa，压应力验算满足规范要求。

3.6 拖拉施工对梁体挠度的影响分析

顶推过程中主梁边跨最大挠度为8.0mm，位于跨中截面附近，中跨最大挠度为26.8mm，位于跨中位置（主梁挠度变形数据见表1）。

表1 主梁挠度变形(mm)

3.7 拖拉施工对支座影响分析

对比拖拉过程中最大反力和支座允许承载力得出，连续梁4 个墩位的支座允许承载力均大于实际最大竖向反力，满足要求。

3.8 拖拉施工对桥墩水平剪力影响分析

根据拖拉过程中产生的最大水平力计算出墩身的水平剪力值，根据设计文件查出墩身的允许剪力值[7,8]。表2 显示，墩身允许剪力值远大于拖拉过程中产生的实际剪力值。

表2 桥墩纵向剪力

3.9 拖拉施工过程中梁体变形检测

3.9.1 监测点布置

在连续梁拖拉路径上分别设置沉降观测点，在拱脚和小车停放位置分别设置1 个观测点，其中拱脚位置作为拖拉过程监控量测控制点，边跨在距离41#墩15m、31.5m、49.5m 断面位置分别设置监测点，中跨分别在跨中、距离跨中22.5m3 个断面设置监测点。

3.9.2 监测点观测

各个观测点设置完成后采集原始高程，然后在拖拉过程中前支点经过监测断面时、拖拉就位后、临时拱脚拆除后，分别采集监测点数据，实测数据显示，拖拉前支点经过时各个监测断面的变形值较小，拖拉就位后变形值最大2.5cm（理论计算值2.68cm），梁体结构处于安全状态，临时拱脚拆除后仍存在残留变形（最大值1.4cm）。

4 结语

跨高速公路混凝土系杆拱连续梁拱部施工对既有高速公路行车安全影响较大，采用拖拉施工一方面要确保拖拉临时结构本身的安全，另一方面要确保不破坏既有桥梁结构，临时结构的安全相对容易控制，但拖拉施工对永久结构的影响受混凝土龄期、预应力张拉、混凝土收缩徐变等多方面因素影响，施工过程中必须做好应力应变监控量测，并对混凝土表面进行检查，确保拖拉施工过程中既有桥梁结构的安全。