无支架施工的劲性骨架系杆钢管混凝土拱桥分析

总第282期 交通科技SerialNo. 282 2017 年第 3 期 Transportation Science &Technology No.3 Jun.2017DO I 10.3963/j.issn.1671-7570.2017.03.023无支架施工的劲性骨架系杆钢管混凝土拱桥分析刘本永(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)摘要传统有支架现浇拱桥施工方法会占用桥下道路或航道，不利于桥下有通行要求的城市桥梁施工。

提出一种将钢管拱肋与劲性骨架系杆临时固结整体吊装至桥位处的快速施工方法，实现了不阻断桥下通行的无支架施工，分析了劲性骨架系杆拱桥无支架施工技术的安全性和可行性。

结果表明，该方法不仅节约施工成本还提高了施工进度。

关键词拱桥劲性骨架无支架施工钢管混凝土由于钢管混凝土拱桥具有优美的结构造型和 良好的施工性能等特点，是适合中、大跨径桥梁的 一种十分有竞争力的桥型〜2]。

特别对于桥址处 地势较平坦且交通量较大的市政道路工程，通常 会选用该种桥型。

相比于传统的石拱桥或和普通 混凝土拱桥，钢管混凝土拱桥在施工方法上有一 定的优势。

有支架施工[3]或缆索吊装施工[4]仍是 目前应用最广泛的拱桥施工方法，然而，有支架施 工占用桥下道路或航道，缆索吊装施工过程复杂 且费用相对较高。

对于施工场地有限、桥下有通 行要求且交通繁忙的城市桥梁施工来说，显然这 2种方案都不是理想的施工方法。

本文以某大跨系杆钢管混凝土拱桥为工程背 景，提出一种将钢管拱肋与劲性骨架系杆临时固 结体系整体吊装至桥位处的快速施工方法，实现 了不阻断桥下通行的无支架法施工。

1工况背景及桥梁建设江阳大桥为扬州市新万福路建设工程的重要 节点工程，该桥两侧与既有道路顺接，纵坡受到严 格限制，主桥跨越的京杭大运河为二级航道，通航 要求最小为100 mX7. 0 m，主桥一跨跨越通航 孔，采用了 120 m钢管混凝土拱桥，矢高24 m，拱轴线线形为拋物线，矢跨比为1/5;共肋采用2. 6m高哑铃型钢管混凝土截面，根据横向稳定的需 要，主拱肋之间设置了 5道一字形横撑；横撑空钢 管桁式结构，横撑高度2. 1m，主桁为（直径X壁 厚）00 mmX10 m m钢管，加劲钢管为（直径X壁厚）300 mmX10 mm。

吊杆顺桥向间距5. 4 m，全桥共设21对吊杆；吊杆采用PES(FD)7-73型低应力防腐拉索（平行钢丝束），钢丝的标准强度 为1 670 MPa，吊杆钢索均采用高密度聚乙烯(PE 护层）双护层防护。

吊杆上、下端均采用采用新型 防水结构，拱肋吊杆端为张拉端设可偏摆的球铰 锚固装置。

吊杆使用LZM7-73型冷铸镦头锚。

吊杆外套管采用直径245 m m钢管、壁厚100 mm。

系梁为预应力钢筋混凝土结构，箱形断面，高2.6 m、宽1. 8 m，顶板、底板及腹板厚度均为0.4 m，系杆内设施工劲性骨架每根系梁纵向配 置20束15-^15.2预应力钢绞线。

主桥整体布置 见图1a)。

采用通用的有限元程序Midas/Cidas 进行计算，建模过程中各构件均采用梁单元模拟，上部结构划分为1 062个节点和1 556个单元。

吊杆采用等效桁架单元进行模拟。

对于钢管混凝 土结构，考虑到施工过程的模拟，采用双单元共结 点的形式进行模拟，即钢管和混凝土分开模拟并 通过结点耦合考虑它们之间的相互作用，结构有 限元模型见图1b。

1200a)主粱结构整体布置b)有限元模型图1主桥结构整体布置和有限元模型（单位：m)收稿日期：017-01-142无支架整体吊装施工过程及仿真模拟 3成桥应力验算江阳大桥主桥采用将钢管拱肋与临时固结的 劲性骨架整体吊装至桥位，实现了在日常航务异 常繁忙的京杭大运河上进行无支架施工，封航时 间短，施工期间无需在桥梁下方搭设任何支架，大 大减少了桥梁施工对航道的影响。

具体的施工步 骤如下：①在引桥侧搭平台拼装劲性骨架(劲性骨 架、钢管拱肋、吊杆套管、风撑钢管;②拖拉劲性骨 架至桥位处；③现浇施工拱脚及端横梁混凝土；④ 泵送下钢管混凝土，张拉系杆；⑤泵送上钢管混凝 土，张拉系杆；⑥泵送綴板混凝土；⑦劲性骨架上 立模浇筑系杆混凝土，边浇筑边张拉系杆；⑧系杆 混凝土浇筑完成后，张拉系杆预应力至设计值，张拉吊杆；⑨在2系梁之间吊装贝雷梁，贝雷梁上立 模浇筑中横梁混凝土，并张拉中横梁预应力，待所 有中横梁混凝土浇筑完成后，张拉系杆预应力至 设计值;⑩吊装预制行车道板，现浇桥面整体化6 cm混凝土，安装护栏，铺装桥面沥青混凝土，安装其他附属结构。

采用Midas civil程序对该桥的施 工进行模拟仿真分析，主要施工阶段模型见图2。

d)吊装横梁及桥面铺装施工图2无支架施工过程仿真模拟3.1施工过程应力验算江阳大桥在施工至成桥过程中，各主要构件 应力状态见表1。

表1各阶段主桥主要构件应力计算结果MPa阶段构件位置上缘下缘最小最大最小最大拱肋钢管一162.14一11.46 -—150. 06一1 33上钢管混凝土一8. 730 82一7 730. 19施工阶段下钢管混凝土一8. 650 29一8 320. 82系杆混凝土一9. 580 72一9 841. 14桥墩盖梁一5.2一2. 1一5 2一1 4拱肋钢管一126.22 -—103.06 -—113. 37一79. 4上钢管混凝土一8. 01一5 23一7 5一5 79成桥状态下钢管混凝土一8 56一6 72一8 08一6 71系杆混凝土一9 44一7 18一9 7一8 07桥墩盖梁一5. 24一2 21一5 3一1 97注：一”压应力；十”-拉应力。

由表1可见，在钢管混凝土拱桥的施工过程 中，钢管拱肋的最大压应力162. 14 MPa，最小压 应力1. 33 MPa;钢管混凝土最大压应力为8. 73 MPa，最大拉应力为0.82 MPa。

系杆混凝土最大 压应力为9.84 MPa，最大拉应力为1.4 MPa。

此 外，验算结果还表明：施工阶段吊杆最大拉应力 447.85 MPa;成桥状态吊杆最大拉应力446. 55 MPa。

施工阶段吊杆套管最大拉应力44. 85 MPa，最小压应力53.27 MPa。

施工阶段桥墩最 不利状态出现在盖梁预应力张拉完成且架设引桥 和主桥前，钢筋混凝土墩最大压应力3. 9MPa，钢筋最大拉应力39. 33 MPa，最大裂缝宽度0. 04 mm。

综上所述，江阳大桥在施工过程中满足各 项安全性能指标。

3.2运营阶段应力验算根据《公路桥梁设计规范》，对钢结构进行弹 性阶段应力验算。

拱肋钢管及内包混凝土应力计 算结果如表2所示。

表2拱肋钢管及混凝土应力计算结果MPa组合构件位置上缘下缘最小最大最小最大正常拱肋钢管 --170. 44 —128 75一158. 52 一106 45使用极上钢管混凝土一7 43一2 67一6 39一4 01限状态下钢管混凝土一7. 19一4 71一8 03一3 58弹性拱肋钢管 -—174. 03 —125 76一162.21 —104 04阶段应上钢管混凝土一8 22一2 14一6 68一4 01力组合下钢管混凝土一7. 48一4 7一8 9一2 78注：“一”压应力；十”拉应力。

由表2可见，桥梁运营阶段，钢管拱肋最大压 应力174. 03 MPa，最小压应力104. 01MPa;钢管 混凝土最大压应力为8. 90 MPa，最小压应力为 2. 14MPa。

此外，正常使用极限状态系杆最大应 力460. 36 MPa，最小安全系数3.63;荷载作用下吊杆最大应力幅20. 5M P a ，小于200 M P a ，满足规范要求。

活载产生的最大挠度发生在靠近L /4 附近，最大挠度为27.42 m m ，挠跨比为1/4 736。

刚度满足规范L /800要求。

综上所述，正常运营 阶段主桥各构件技术指标均满足规范要求，结构 具有较高的安全度。

4稳定性验算对全桥成桥阶段进行稳定性分析，活载采用三车道汽车荷载、非机动车道荷载、人群荷载和横向 风荷载，荷载值均按规范取值。

计算结果见图3。

全系数分别为:Ai =16. 6,2=20. 64,屈曲模态均 为中拱肋的面外失稳。

分析计算表明，其稳定安 全系数大于4,满足相关规范规定，说明该主桥具 有足够的稳定安全性。

5结论1) 采用劲性骨架无支座整体施工方法进施工，施工过程和成桥运营阶段，各主要构件的验 算均能满足规范要求，成桥阶段结构的屈曲模态 均为中拱肋的面外失稳，前二阶模态的稳定安全 系数大于4,表明该主桥具有足够的稳定安全性。

2)提出的将钢管拱肋与劲性骨架系杆临固结体系整体吊装至桥位处的快速施工方法，实 现了在不阻断桥下通行情况下，加快施工进度，缩 短施工周期，为今后我国城市拱桥的施工提供了 新思路。

参考文献b )二阶失稳(A 2 =20.64)图3稳定屈曲模态图由图3可知，第一类稳定的前二阶的屈曲安[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M ]. 2版.北京：人民交通出版社,007.[]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M ].北京：人民交通出版社，1999.[]陈琳.下承式钢管混凝土系杆拱桥支架施工技术[J ].铁道建筑，2007(1)26-28.[4] 余钱华，赵林岚，游兴富，等.大跨度钢管混凝土拱桥吊装过程扣索受力分析[J ].交通科学与工程，2003，19(1) :39-41.[5] 张朦朦，张谢东，秦川，等.大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥外包混凝土方案优化[].武汉理工大学学 报（交通科学与工程版），2016,40(5):876-879.Non-bracket Construction Technique for Stiff-skeleton-tieConcrete Filled Steel Tubular Arch BridgeLIU Benyong(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co . , Ltd . , W uhan 430063? China )Abstract ： T h e t r a d itio n a l ca st -in -p la c e a rc h b rid g e w it h s te n t c o n s tru c tio n m e th o d w i ll ta k e up th ero a d o r c h a n n e l o f th e b r id g e s ,tt is n o t c o n d u c iv e to u rb a n b rid g e c o n s tru c tio n w it h t r a f iic r e q u ire ­m e n ts u n d e r th e b rid g e . A n a c c e le ra te d b rid g e c o n s tru c tio n m e th o d is p ro p o s e d in th e p a p e r . I n th is m e th o d th e s te e l tu b e a rc h r ib an d s k e le to n s tr e n g th tie b a r are te m p o r a r ily c o n s o lid a te d and in te g r a lly h o is te d to th e b rid g e p o s itio n . T h e m e th o d can re a liz e th e n o n -b ra c k e t c o n s tru c tio n o f th e b rid g e s w ith o u t b lo c k in g th e t r a f tic s itu a tio n . T h e fe a s ib ility a n d r a tio n a lity o fn o n -b ra c k e t c o n s tru c tio n te c h ­n o lo g y are a n a ly ze d fo rth es t if —s k e le to n -tiec o n c re te f illed s te e l tu b u la ra rc hbth a t th e m e th o d n o t o n ly can save th e c o n s tru c tio n c o s t b u t also can g r e a tly im p ro v e th e c o n s tru c tio n p ro g re s s . T h is m e th o d p ro v id e s a n e w a p p ro a c h o f t h in k in g fo r b rid g e c o n s tru c tio n o f th e a rc h b rid g e s in u rb a n .Key words ： a r c h b r id g e ； s t if --s k e le to n ；n o n -b ra c k e t c o n s tr u c tio n ；c o n c re te f ille d s te e l tu b u lar。