钢-混凝土结合桁架拱桥施工控制技术

尹光顺 彭旭民

1.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，武汉 430034

1 工程概况

成贵（成都—贵阳）铁路鸭池河特大桥主桥为中承式拱桥［1］，拱肋采用钢-混凝土结合桁架拱结构，跨径为436 m，矢高115 m，拱轴线为悬链线，拱轴系数为3.5［2］。全桥有两片拱肋，提篮布置，两片拱肋在拱顶处中心距为15.0 m，在拱脚处中心距为33.6 m。拱肋腹杆采用箱形或H形截面，形成空腹式N形桁架拱。拱肋上下弦杆（H形截面）A0E1—A8E9节间全包混凝土，除拱肋下弦杆（箱形截面）E20—E28节间不包混凝土外，其余部位上下弦杆（箱形截面）均半包混凝土。拱肋在拱脚处与拱座固结，拱肋钢桁架材质为Q370qE。拱肋混凝土为C60高性能混凝土，拱上立柱采用双柱式框架结构。

主梁为单箱三室预应力混凝土箱梁，全长336 m。主梁支撑于两侧拱上立柱和拱肋支撑横梁处，形成（32+272+32）m的三跨连续梁结构。两岸引桥分别设一座（32.7+2×61.75）m的三跨连续刚构桥，与主桥主梁形成连续桥面。

吊杆采用φ7镀锌平行钢丝，标准强度1 670 MPa。吊杆顺桥向按8 m间距布置，横桥向与拱肋倾角一致，每一处吊点横向布置2根吊杆，全桥共布置108根吊杆。特大桥总体布置见图1。

图1 鸭池河特大桥总体布置（单位：cm）

2 总体施工方案

成贵铁路鸭池河大桥施工分为拱肋钢桁架拼装、拱肋混凝土浇筑和主梁大节段浇筑三个施工阶段。拱肋、主梁成型过程复杂，控制难度大。

拱肋钢桁架拼装。采用缆索吊机整节段吊装、斜拉扣挂法［3-4］辅助悬臂拼装。拱肋杆件工厂制造，散运到桥位处预拼场。场内每两个节间先组拼成一个吊装节段，再利用缆索吊机吊装到指定位置，对位、调整、固定、焊接、松钩，安装拱肋横向连接系，最后挂设并张拉扣锚索。依次循环施工，直至拱肋钢桁架合龙。

拱肋混凝土浇筑。对于拱脚全包混凝土段，起拱段采用支架现浇，剩余全包混凝土段采用吊挂模板法现浇；对于拱肋半包混凝土段，以弦杆两侧腹板和弦杆间钢底板为模板，从拱脚往拱顶分段依次浇筑，形成钢-混凝土结合桁架拱肋。依次拆除斜拉扣挂体系，仅保留4对扣锚索，待主梁合龙完成后再拆除。

主梁大节段浇筑。对于拱外边跨34 m梁段，以拱上立柱及支撑横梁作为支点，在拱肋上搭设满堂支架进行整体浇筑；对于拱内中跨无吊杆区32 m梁段，以拱肋上缘为支点，搭设刚性吊架支承体系进行整体浇筑；对于拱内中跨吊杆区204 m梁段［2×（5×16+20）m现浇段+4 m合龙段］，采用多点弹性支承整体吊架体系分节段对称浇筑。待主梁合龙后，拆除主梁整体吊架体系，并适时张拉调整吊杆索力，施工二期恒载。

3 施工控制关键技术

3.1 拱肋钢桁架拼装线形控制技术

3.1.1 预拼场内胎架上拱肋钢桁架节段组拼

钢桁架杆件在桥位处预拼场胎架上进行拼装，一次组拼4个拱肋钢桁架节间，两两节间（第1节与第2节间，第3节与第4节间）焊接成型，组成两个节段，分别进行吊装和悬臂拼装。胎架上4个节间拼装线形采用相邻两个节间弦杆的夹角β与制造时线形保持一致的原则进行控制，见图2。

图2 拼装控制示意

视线高度H3的理论计算公式为

式中：H1~H3分别为各控制点在同一测站下的水准仪视线高度；L1为已拼节间弦杆控制点1到控制点2的距离，L2、L3为两个节间弦杆的交点到控制点1、控制点3的距离。

拼装过程中，首先测量各控制点，得到H1、H2和H3实测值，然后将H1、H2实测值和计算所得的L1、L2、L3、β代入式（1）中，得到H3计算值，再将H3实测值与计算值进行对比，若超过容许偏差（±5 mm）则需调整，直至偏差满足要求。按此方法，依次确定相邻两根弦杆的相对位置，最终确定该批次拱肋钢桁架节段在胎架上的拼装线形。

采用该方法能快速确定各弦杆的空间相对位置，但容易放大误差。因此，组拼完成后须在统一坐标系内测量各弦杆关键控制点坐标，以确保成型的桁架结构各弦杆空间相对位置与设计保持一致。

3.1.2 桥位处拱肋钢桁架节段悬臂拼装

桥位处两个拱肋节间焊接成一个吊装节段，采用缆索吊机吊装到位，与已拼拱肋节段悬臂前端对位拼接。待拼拱肋节段空间位置的确定受已拼拱肋节段空间姿态的影响，采用绝对坐标法进行控制。方法如下：

1）计算待拼拱肋节段沿已拼拱肋节段切线拼装时产生的虚拟位移δvi，即

式中：δci为第i节段架设完成松钩后累计位移；Δδi为第i节段在自重作用下的位移增量。

2）确定待拼拱肋节段的定位坐标（xLi、yLi、zLi），即式中：xmi、ymi、zmi分别为第i节段制造坐标；xδvi、yδvi、zδvi分别为δvi在坐标轴x、y和z方向上的分量。

采用绝对坐标法对拱肋节段进行定位控制，待拼拱肋节段状态明确，有利于总体把控，避免误差累积。需要注意：①不同工序对应拱肋的不同线形状态，因此确定待拼拱肋节段定位坐标时虚拟位移δvi须与现场实际施工步骤一致。对于一个悬臂拼装的拱肋节段，存在先吊装定位上游拱肋还是先吊装定位下游拱肋的问题，因此须区分两种状态下的δvi。②须避免日照产生的拱肋不均匀温度场的影响，实测值与计算值的偏差宜控制在±20 mm以内。

3.2 拱肋混凝土浇筑控制技术

拱肋混凝土施工涉及到拱肋钢桁架与拱肋混凝土的受力分配问题，且受施工工序的影响。从拱脚开始至拱顶的8个节间（A0E1⁃A8E9）的钢桁架弦杆均为H形截面。拱肋钢桁架悬臂拼装阶段，拱脚段钢桁架整体刚度偏弱，随着悬臂的伸长拱脚段钢桁架受力越来越大，趋于不利状态。因此，须择机浇筑拱脚混凝土形成固结拱脚的钢-混凝土结合桁架拱肋结构，但由此会带来拱脚混凝土受拉开裂问题。

根据拱肋悬臂状态和合龙后两种力学模型的受力特性［5］，参考既有研究和施工经验［6-8］，对拱肋混凝土浇筑工序进行优化。优化前是待拱肋钢桁架合龙后由拱脚往拱顶分段依次浇筑。优化后工序为：①拱肋钢桁架首节段拼装到位后，及时支架现浇拱脚混凝土，固结拱脚；②拱肋钢桁架悬拼至A7节点后，第2次浇筑拱脚混凝土，混凝土全包至A2E3截面，以减小拱肋H形截面钢桁架的悬臂长度，确保钢桁架受力安全；③拱肋钢桁架合龙后，浇筑后续拱肋混凝土的过程中择机二次张拉1#—4#扣锚索（第一次张拉扣锚索在拱肋钢桁架拼装阶段），增大其索力，以抵抗后续浇筑拱肋混凝土对拱脚截面受力的不利影响；④拱肋混凝土浇筑过程中择机在3/8跨附近压载，限制拱脚截面混凝土产生过大的拉应力；⑤钢-混凝土结合桁架拱肋成型后，保留部分扣锚索，直至主梁合龙后再拆除，以抵抗主梁分节段浇筑对拱脚截面受力的不利影响。

通过以上措施，使得拱脚截面混凝土应力得到有效控制。这里仅列出拱肋混凝土浇筑工序优化前后及实测拱脚截面混凝土应力变化情况，见图3。可知，拱脚截面混凝土施工过程中最大理论压应力优化前为-12.2 MPa，优化后为-12.5 MPa，实测值为-14.7 MPa，出现在E13—E17节间拱肋混凝土浇筑阶段拱脚截面底缘；最大理论拉应力优化前为5.5 MPa，优化后为3.4 MPa，实测值为3.9 MPa，出现在A7—A9节间拱肋混凝土浇筑阶段拱脚截面顶缘。按偏心受压结构验算拱脚截面顶缘裂缝宽度为0.14 mm，小于限值0.20 mm，满足规范要求。

图3 拱脚截面混凝土应力变化情况

3.3 中跨吊杆区主梁分节段浇筑控制技术

中跨吊杆区主梁采用多点弹性支承整体吊架体系［9］（图4）分节段浇筑。通过对中跨吊杆区主梁进行一次总体预拱度［10］设置，实现主梁线形控制；对吊杆索力分两阶段张拉控制。整体吊架体系成型后对吊杆进行一次初张拉，使得整体吊架的线形符合主梁预拱度线形。主梁分节段浇筑过程中不再张拉吊杆，待主梁合龙完成后再对全桥吊杆索力进行整体调整，最终使主梁线形和吊杆内力同时达到预期目标。

图4 主梁整体吊架体系布置（单位：cm）

主梁预拱度设置主要考虑的因素有：①吊架体系自搭设成型至主梁合龙后，其承受荷载作用产生的累计变形；②各吊杆处横梁沿横桥向的变形；③整体吊架体系的非弹性变形；④主梁合龙后至成桥，吊杆索力调整、预应力张拉、施工二期恒载、混凝土收缩徐变等所产生的变形；⑤吊架体系构造。

4 主要控制成果

成桥后拱肋、主梁顶面高程实测值与理论值的偏差见图5。可见，拱肋、主梁顶面高程实测值与理论值的偏差总体上在50 mm以内，满足偏差小于L/3 000（L为跨径，拱肋跨径436 m，主梁跨径272 m）且不超过50 mm的预期要求，但主梁各测点偏差波动较大。这是因主梁梁面混凝土扫面不均所致。

图5 成桥后拱肋、主梁顶面高程实测值与理论值的偏差

成桥后吊杆索力实测值与理论值的偏差见图6。可见，各吊杆索力实测值与理论值的偏差总体上在5%以内，小于10%的规范限值。

图6 成桥后吊杆索力

5 结论

1）成贵铁路鸭池河特大桥为中承式拱桥，采用缆索吊机分节段吊装拱肋钢桁架、斜拉扣挂法辅助悬臂拼装，拱肋钢桁架合龙后再依次浇筑拱肋混凝土，最终形成钢-混凝土结合桁架拱肋。拱肋钢桁架施工过程中重点控制钢桁架节段胎架上组拼、桥位处节段悬臂拼装时的线形；优化了拱肋混凝土浇筑工序，并对拱脚截面混凝土的应力状态进行监测，确保成桥后拱肋受力安全，线形可控。

2）对整体吊架体系中跨吊杆区主梁进行一次性总体预拱度设置，对吊杆索力分两阶段张拉控制，实现了主梁线形和最终吊杆索力的有效控制。

3）成桥后拱肋、主梁的高程实测值与理论值的偏差满足小于L/3 000且不超过50 mm的预期要求；各吊杆索力的实测值与理论值的偏差总体上在5%以内，满足规范要求。

该桥已于2019年12月建成通车，目前运营状态良好。