文章编号：１００９—４５３９（２０１７）０２—００４５—０５ ・桥梁工程・ 大跨度预制拼装跨深谷钢筋混凝土 拱桥吊装方案探讨 汪本刚 （中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司 辽宁沈阳摘１ １００００） 要：拱圈结构方案和吊装工艺的精确控制是实现大跨度钢筋混凝土拱桥的核心内容。本文以湖南张花高速 连接线上牛路河特大桥为例，分析跨深谷钢筋混凝土预制拼装拱桥主拱圈如何合理的横向分箱、纵向分段及配 套吊装施工工艺，通过计算比对优化原有设计及施工方案，达到提高施工安全、简化施工步骤、加快施工进度的 目的。 关键词：大跨度钢筋混凝土拱桥中图分类号：Ｕ４４５．４６ 跨深谷主拱圈吊装 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９．４５３９．２０１７．０２．０１１ 文献标识码：Ａ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｈｏｉｓｔｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｓｐａｎ Ｐｒｅｃａｓｔ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ａｒｃｈ Ｂｒｉｄｇｅ Ｏｖｅｒｃｒｏｓｓ Ｃｌｏｕｇｈ Ｗａｎｇ Ｂｅｎｇａｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ ３ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｒｃｈ ｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ．Ｔａｋｉｎｇ Ｎｉｕｌｕ Ｒｉｖｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｒｏａｄ ｏｆ Ｚｈａｎｇｈｕａ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ ｉｎ Ｈｕｎａｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｏｎ ｈｏｗ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｌａｔｅｒａｌ ｂｏｘ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｕｂｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｒｃｈ ｒｉｎｇ ｏｆ ｐｒｅｃａｓｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ ｏｖｅｒ ｃｌｏｕｇｈ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｌｉｆｔｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ ｓａｆｅｔｙ，ｓｉｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ ｓｃｈｅｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ；ｏｖｅｒｃｒｏｓｓ ｃｌｏｕｇｈ；ｍａｉｎ ａｒｃｈ ｒｉｎｇ ｈｏｉｓｔｉｎｇ １ 引言 钢筋混凝土拱桥具有结构性能优越，跨越能力 大、地质地形适应性强的优势，在国内山区跨沟谷桥 目前大跨度钢筋混凝土拱桥主要采用预制吊装施工， 因此拱圈方案的合理布置和吊装工艺的精确控制是 实现成桥目标的关键。本文以牛路河特大桥为工程 背景，对大跨度预制拼装钢筋混凝土拱桥吊装方案进 行研究，以此为类似工程提供参考。 梁中应用较为广泛。拱桥的跨径随着社会经济需求 的发展不断增大，结构体系愈发复杂，施工难度愈加 增大。其成桥线形和受力状态是否满足设计和施工 ２ 工程概况 牛路河特大桥是湖南省张花高速公路连接线上一 要求是国内许多学者和设计人员的研究热点 ｊ。 座特大桥，主孔为净跨径１９５ ｍ ＲＣ无铰箱形拱，矢跨 收稿日期：２０１６—１１—０４ 作者简介：汪本刚（１９７７一），高级工程师，主要从事桥梁工程方面 工作。 比１／５，拱轴系数为１．５４３，拱圈高度为３６０ ｃｍ，拱圈宽 度７８０ ｃｔｎ，采用预制拼装法施工 ，具体型式见图１。 ４５ 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１７（０２１ ・桥粱工程・ ５００ ～一④ 一图１桥型布置（单位：ｃｍ） ／ 一占吉 ３原设计主拱圈拱箱横向分箱、纵向分段方 案及吊装施工工艺 ３．１ 原设计主拱圈横向分箱、纵向分段方案 拱箱横向由一个中箱及两个边箱组成，横向分 箱见图２，纵向沿拱轴线全长分为２０段（不含拱顶 现浇合龙段８０ ｃｍ和拱脚现浇段７６ ｃｍ），全桥共计 预制拼装６０个节段。 （７）三条拱箱都悬拼成拱后，先浇筑端头横向 湿接缝，再浇筑纵向通长湿接缝，使拱圈形成一个 整体。 （８）拆除横向缆风索，拱圈施工完毕。 划１Ｌ１●●● 叫●●葑４原设计分段及吊装方案存在的问题 ４．１ 施工过程横向稳定计算 按照施 工流程首先中箱单肋成拱，此时拱圈宽 度２．７８ ｉｎ，宽跨比１／７０，该成拱过程为全桥横向稳 定最不利阶段。 ４．１．１ 计算思路及原则 ： ： （１）按照原设计需设置横向缆风索，由于拱桥 边箱 ≯ 边箱 ． 中箱 劢 ，， ｖ ６ ６ 所在的地势条件（两岸均为悬崖峭壁）所限，无法进 行风缆及地锚的施工作业；本桥位于猛｝同河国家级 风景保护区核心景区内，进行抗风缆和地锚的施作 会造成大片森林的破坏和原地表的破坏，无法满足 环保要求；同时桥面距离河底约２００ ｍ，为跨深谷桥 梁，桥下河流水位较深，水流湍急，缆风绳亦无法锚 固于河底；考虑峡谷风效应的不确定性以及横向风 图２原设计主拱圈横向分箱断面示意图（单位：ｃｍ） ３．２主拱圈分箱吊装施工工艺 （１）采用钢绞线斜拉扣挂拱箱、逐段固结、最后 松扣成拱的总体施工方法。 （２）每条拱箱２０段均在预制场预制。 （３）采用缆索吊对称吊装２Ｏ段拱箱，每段拱箱 吊装就位后，用钢板将端头临时固接，钢绞线扣索 缆的不可控性，仅依靠施工经验来进行风缆的松 紧，无法从根本上保证施工阶段安全。综上所述， 吊装过程按照不设置横向缆风索考虑，并验算此工 况下的稳定性。 扣挂，同时安装一组横向缆风索。 （４）一条拱箱安装完毕，浇筑合龙段混凝土，同 时固结拱脚，使拱圈处于无铰状态，一条拱肋完成。 （５）卸除各段的扣索，拱肋靠自身成拱和其两 （２）计算采用有限 元软件ＳＣＤＳ和通用有 限元程序ＭｉｄａｓＣｉｖｉｌ，离 散模型见图３。 图３结构分析计算离散模型 侧２ ｘ５组横向缆风索保持稳定。 （６）先按上述工序完成中箱，然后用同样的方 法完成两边箱的吊装，一条边箱完成后，通过腹板 上预留的螺栓孔，将横向相邻两箱用螺栓连结起来 （３）结构的稳定安 全系数Ａ定义为Ｐ ／Ｐ ，其中Ｐ 为结构的极限承载 力，Ｐ 在成桥状态为结构自重与营运活载之和，Ｐ 在施工阶段为结构白重及横向风荷载。 并将缆风索移动到外侧腹板。 ４６ 铁道建筑技术对结构的整体稳定安全系数大于４的规定来源 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ７ Ｊ ・桥梁工程・ 于第一类稳定问题，考虑到目前国内对结构的第二 类稳定问题的稳定安全系数的允许值在相关规范 （２）由表２计算成果可知，吊装过程中中箱５～ ６节间的接头截面强度不能满足要求； 基于以上原因需要对拱圈纵、横向分段及吊装 方案进行优化。 表２ 各工况下截面强度计算成果表 工况 施工 内容 中箱截面 轴力／ｋＮ 极限承 安全 载力／ｋＮ 系数 ２ ５８ｌ ２．３１ ３ ８４７ １．３８ ４ ｌ５２ １．３ｌ 中规定很少，实际设计中稳定安全系数的允许值的 取值，一般取第一类稳定问题的稳定安全系数的１／３ 左右，因此采用线性稳定分析是可以反映本桥结构 的静力稳定问题的。 参考中华人民共和国行业标准《公路斜拉桥设 计细则》斜拉桥结构体系第一类稳定，即弹性屈曲 的结构稳定安全系数应不小于４，以及铁路、公路行 业中关于稳定安全系数的有关规定 系数不得小于４～５。 ，稳定安全 工况一 中箱１＃节吊装 工况二 中箱２＃节吊装 １～２节截面 １ １１６ 工况三 中箱３＃节吊装 ２～３节截面 ２ ７９８ 工况四 中箱４＃节吊装 ３～４节截面 ３ ｌ６４ 工况五 中箱５＃节吊装 ４～５节截面 ６ ０９５ 工况六 中箱６＃节吊装 ５ ６节截面 ５ ４１１ 工况七 中箱７ 节吊装 ６～７节截面 ４ ７Ｏｌ 工况八 中箱８＃节吊装 ７～８节截面 ３ ９４７ 工况九 中箱９ 节吊装 ８～９节截面 ２ ６９７ 工况十 中箱１０＃节吊装 ９～１０节截面 １ ２５０ 工况十一 合龙，扣索解除 ６ ４７６ １．Ｏ６ ５ ０７３ ０．９４ ５ １４２ １．Ｏ９ － ５ ７９７ １．４７ ｆ３ ４５５ １．２８ ３ ７０９ ２．９７ ４．１．２横向稳定计算结果 经计算并归纳成果见表１。 表１ 各工况下横向稳定系数计算成果表 工况 工况一 工况二 施工内容 中箱ｌ＃节段吊装 中箱２｝｝节段吊装 稳定系数 １．３ ２．２ 失稳模式 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 ５ 优化后主拱圈拱箱纵、横向分段及吊装工艺 ５．１ 优化后主拱圈纵、横向分段方案 工况三 工况四 工况五 工况六 工况七 工况八 工况九 工况十 工况十一 中箱３＃节段吊装 中箱４｝｝节段吊装 中箱５＃节段吊装 中箱６＃节段吊装 中箱７｝｝节段吊装 中箱８＃节段吊装 中箱９｝｝节段吊装 中箱１０＃节段吊装 合龙，扣索解除 ２．４ ２．３ ２．６ ２．６ ２．５ ２．４ ２．３ ２．２ ４．５ 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 拱肋侧向失稳 主拱圈采用单箱双室整体截面，横向单箱双室一 次性预制，一次性吊装，横向分箱见图５；为保证吊重 不至过大，纵向分节增加到４０段（不含拱顶现浇合龙 段８０ ｃｍ和拱脚现浇段７６ ｃｍ），纵向分段见图６。 其余参数与原设计保持一致，全桥共计预制、 拼装节段４０个。 ４．２施工过程强度验算 主拱圈吊装施工过程中对拱圈轴力、弯矩及上 下缘应力状况进行计算，下文仅提供存在问题部分。 ４．２．１ 计算部位 中箱单箱悬拼过程中， 中箱各节段之间的纵向接 头处（见图４）属于最薄弱截 面，取各接头断面作为检算 ｒ— 图５优化后主拱圈 横断面示意图（单位：ＯＷ１） 图６优化后主拱圈纵向 分段示意图（单位：Ｃｍ） ５．２主拱圈整箱吊装工艺 截面进行强度验算。 ４．２．２截面强度计算结果 计算成果见表２。 ４．３结果分析 Ｕ （１）采用钢绞线斜拉扣挂拱箱、逐段固结、最后 （２）拱箱拱顶预留合龙段，拱脚现浇段同原方案， 松扣成拱的总体施工方法。 其余部分沿拱轴长度分为４０段，均在预制场预制。 （１）由表１计算成果可 知，在不设置横向缆风索的 情况下，中箱单箱合龙前，横向稳定系数均小于４， 无法保证横向稳定； （３）采用缆索吊对称吊装４Ｏ段拱箱，每段拱箱 吊装就位后，采用钢板将端头临时固接，钢绞线扣 索扣挂，拱脚为铰接状态。 （４）拱箱全部吊装安装完毕后，浇筑合龙段混 ４７ 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１７（０２）・桥梁工程・ ６．２．２截面强度计算结果 ．他拱 处ｒ几铰状念，浇筑纵 汁钟：成 总 Ｊｉ ０ ｆ纳 丧４ 表４截面强度计算成果表 ｍ凝ｌ （５） 符拱 端＂Ｌ－ 接缝，使拱｝连１肜成・个 体 ． （６）卸除铡绞线 索，拱 施Ｉ 毕 、 表３横向稳定计算成果表 ｆｉＩ’ 阶段 施Ｉ．Ｉ～ 稳定系数 失稳模 Ｉ装阶段 内弈 ｌ：况． 表３ 施Ｉ． 确憾 轴］Ｊ／ｋＮ 嗽拔）Ｊ／ｋＮ 系数 徵限 发个 ㈠ ・ Ｉ１ ｆ ． １ Ｌ｛ ㈠ ｆＩ 、 拱 １＃１ ｆ１１装 拱衔２＃ －‘１ｊ装 拱衔３＃ ｆＩ１装 拱 ４＃１ ｍ装 拱 ５＃…１ｊ装 拱铆６＃１Ｙｍ装 拱衔７＃１７ｆＩ；装 拱牟订８＃１ ｊｆＩ犍 拱衔９＃…｝｝装 ９８９ｌ ｌ６２Ｉ ６６７ ３８２ ２２９ 】７４ ｌ６３ １５２ 】４ｌ 拱 ｒ ｍ失稳 拱肋一 向失稳 拱肋－ 向失稳 拱肋－轻 失稳 拱肋－ 向火稳 拱肋－ 向火稳 拱肋－ 向失稳 拱ｆＩＪＪ一轻阳火稳 拱肋・幔阳＿大稳 ， １况 ｌ：况 ｆ【｜＝Ｊ ３ １～２ １ 他 …ｉ衷３ ２～３ 戏 ２ｌ ６４３ ２ｌ ２７０ ２９ ７５９ ３５ ８９３ １．３８ １．６９ ｌ况叫 ㈨ ３ ３～４ 他Ｉ（Ｉｆ Ｉ况ｆ１： ¨ ３ ４—５ 碱 ｌ况＾ ３ ５～６ １ 敝ｍｆ ２（）８ｌ４ ２０ ２２（） ｌ９ ５６２ ４４ ２３０ ５５ ６０６ ５９ ９ｌ０ ２．１３ ２ ７５ ３．（）６ Ｉ 况Ｌ 川 ３ ６—７ Ｉ：况八 战 ｌ８ ８６（） ｌ８ ２８３ １ ７ ５３２ １６ ９０９ ５（）０９６ ４５ ７０９ ４（）５４２ ３７ ５１７ ２ ６６ ２．５ ２ ３１ ２ ２２ ｌ Ｌ ㈠ 八 ｌ 儿 ３ ７～８ 战 Ｉ 况儿 Ⅲ太３ ８—９ 敝Ｉｌｆｆ Ｉ．况Ｉ‘ … ３ ９～１０ 戏 １． Ｉ‘ ｌ ￡ｆ 拱 Ｉ（）＃ Ｉｊ装 拱柑１１＃…ＩＩ装 １２９ １２０ 拱ＪｌＪＪ，幔 １失稳 拱肋－ ＩｈＪ火稳 『况ｔ’・ 川 ３ １０～１ Ｉ俄 ｒ况ｔ‘ 川 ３ １ １—１２俄 ｌ６（）３０ ｌ ５ ２６９ ３４ ０６３ ３１ ９７０ ２ Ｉ３ ２．０９ ｌ Ｉ Ｉ １ｆ‘ ｆ ＬＪ ｆ ｆＩ 拱：ｉ『１ １２＃…ｎ装 拱辅Ｉ ３＃ ｍ装 拱衔Ｉ４＃ ｍ装 拱 １５＃ ＩＩ装 １ ｌ２ 】Ｏ５ ９８ ８７ 拱肋 Ｉｈ】失稳 拱肋－ …失稳 拱肋ｒ 欠稳 Ｉ 况ｔ 川 ３ １２～１３他叫 ｌ４ ２ｌ６ ｌ ３ ２９８ ｆｌ ８６４ ｌ０ ６ｌ５ ３０ ２】（】 ２９ ０８９ ２７ ８０５ ２７ ５３３ ２．】３ ２】９ ２．３４ ２．５９ Ｉ 况ｔ‘Ｉ儿｛ Ⅲ丧３ １３～Ｉ４俄 ｆ：况ｆ’ｈ： 川 ３ Ｉ 况卜八 ３ １４～１５黻 １５～１６械 ｆｊＩ肋・ 阳火稳 １．况ｔ，’ 拱钔Ｉ６＃…ｎ装 ７６ 拱肋 尖稳 １ 况卜Ｌ 川 ３ Ｉ 况｝‘八 Ｍ ３ １ 况｝‘几 『¨＝Ｊ太３ １６一Ｉ ７撼Ｉｌｆｆ １７～Ｉ ８撼 １ ８～１９撼【ｆ１『＝ ９【）３０ ７ ３６６ ５ ３ｌｌ ２６ ５２７ ２７ ３９２ ２６ ７１９ ２．９４ ３．７２ ５ ０３ Ｉ １ １ｆ’Ｌ ｆ’儿 ｆ‘ 拱衔Ｉ ７＃ ｍ装 拱衔１ ８＃ｎｍ装 拱 ｌ９＃ ｍ１装 拱辅２０＃ ｉ５装 ６６ ５２ ３９ ２６ 拱肋－ …火稳 拱肋・轻阳失稳 拱肋一 ｆｆｌＪ失稳 拱肋 失稳 况ｌ’八 况 川太３ １９—２０敝ＩｌｆＩ ３ ０４３ ３３ ｌ８４ １（）．９ｌ ６．３运营阶段验算 ６优化后方案结构复算 ６．１ 施工过程横向稳定计算 ６．１．１ 计算参数、方法及原则 力‘案优化 刈‘拱 横断Ｉｌｆ 进ｆ 较人州 ，拱 受 Ｊ发，Ｉ 改变，衙刈‘运 阶段受 状况进｛ 验 ：， 验 ：指标包 运仆阶段 拱 的轴 Ｊ、ｊ Ｉｊ 、 缘 Ｊ、 及下缘Ｊ、 Ｊ等，小义验铆：成 以车“ｉ Ｊ包络 为 例（ ８）， 它指 均ｊｔ．４ Ｊ’卡¨似 Ｊ『Ｊ ４．Ｉ．２ Ｉ优化 ｔ ． 宽眨７．８ ｎ ，宽跨比ｌ／２５，ｆ 装过 …缆Ｊｘｌ索 汁钟： 法及 ６．１．２横向稳定计算结果 ｌ’：成 总 １纳 ３ ６．２施工过程截面强度验算 ６．２．１计算部位 仇化』 Ｉ符Ｉ纵…披、大处（ Ｉ冬Ｉ ７） ｊ 刺他 ｌ｛ 拨 断…作为榆 图８主拱圈运营阶段轴力包络图ｆ单位：ｋＮ） 『１戈 逊｛ ｌ Ｊ曼Ｕ 钟： ６．４优化后计算结果分析 …以 汁，５１： Ｉ－Ｊ‘ Ｉ， 攒…缆 索的 ｒ 情况Ｆ， ｊ彳１ ｎｊ装１・Ｊ‘以 图７ 主拱圈横断面示意图（单位：ｃｍ） ４８ 倾 稳定，ｍ装过 接 俄 １ ５”ｌｆ’￣ 小址的川题 ｆ 刮收 ，川ｆＩ、ｊ‘优化 铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ７｛ｏ２） ・桥梁工程・ 方案也满足运营阶段要求ｎ 。 ［３］ 王占军．金沙江大桥拱肋吊装及线形控制技术［Ｊ］．铁 道建筑技术，２０１６（７）：５８—６０，９０． ７ 结论 拱圈分段、吊装方案调整后可形成如下优点： （１）减少了横向缆风索的设置，在保证安全、稳 定的前提下，简化了施工工序。 （２）施工阶段及运营阶段主拱圈的受力状况有 所改善。 ［４］ 袁培国．１４０ ｍ跨钢筋混凝土箱拱缆索吊装设计及施 工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（８）：４～７，５３． ［５］ 胡金玉．大跨径钢筋混凝土箱形拱桥加固施工关键技 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