多跨连续梁拱组合体系桥梁施工关键问题研究

2017年第47卷第4期（总第245期）

Bridge Construction, Vol. 47, No. 4, 2017 (Totally No. 245)

桥梁建设

文章编号：1003 — 4722(2017)04 — 0048 — 06

多跨连续梁拱组合体系桥梁施工关键问题研究

梅葵花，王贤良，赵育

(长安大学公路学院，陕西西安710064)

摘要：安康市城东汉江大桥主桥为（75 +

2X125 + 160 + 2X125 + 75) m

多跨连续梁换组合

体系桥梁，全桥采用先梁后换法施工，系梁采用平衡悬臂浇筑法施工，中跨跨中33 m

梁段采用支

架现浇法施工。为选择合理的现浇段支架拆除时机、边跨配重卸载时机、临时固结拆除顺序以及吊 杆张拉顺序和次数等，采用MID AS Civil建立全桥有限元模型，针对各种方案下的结构进行模拟分 析。结果表明：跨中现浇段的支架应在张拉完全部吊杆后再拆除；边跨配重应在中跨或次边跨合龙 后再卸载；应待相邻孔合龙后再拆除前一合龙孔的临时固结；应对称交替地张拉吊杆，设计张拉力 较小时可一次张拉到位，设计张拉力较大时应分批张拉到位。该桥采取以上方案施工后，结构受力 状态良好。

关键词：梁换组合体系桥；悬臂浇筑法；有限元法；现浇支架；配重；临时固结；吊杆张拉顺序； 桥梁施工

中图分类号：U448. 22;U445. <4

文献标志码：A

Study of Critical Issues on Construction of a Hybrid System

Bridge of Multi-Span Continuous Girder and Arches

MEIKui-hua , WANG Xian-liang , ZHAO Yu

(School of Highway，Chang'an University，Xi’an 710064，China)

Abstract： The main bridge of the Chengdong Hanjiang River Bridge in Ankang City is a hybrid

system bridge of multi-span continuous girder and arches with span arrangement (75 +2 X 125 +160 + 2X125 + 75) m. The whole bridge of the bridge is constructed, using the method of con­structing the girder before constructing the arches, of which the tie girder is cast in situ, using the free cantilever method and the 33 m long girder segments at the midspan of the central span are cast in situ, using the scaffolding method. In the construction of the bridge, to choose the reasona­ble time for removal of the scaffolding for the cast-in-situ segments, the time for unloading of the counterweight on the side spans, the sequences for removal of the temporary rigid fixity and the sequences and times for tensioning of the hangers, the MIDAS Civil was used to establish the finite element model for the whole bridge and the structure under the different schemes was simulated and analyzed. The results suggest that the scaffolding for the cast-in-situ segments at the midspan of the central span should be removed after the whole hangers are well tensioned. The counter­weight on the side spans should be unloaded after the central span or the secondary side spans are closed. The temporary rigid fixity for the previous closed span should be removed after the adja­cent spans are closed. The hangers should be tensioned symmetrically and alternatively. For the hangers with little designed tension, the hangers should be tensioned in place in one time while for

收稿日期：2016 —11 一 14

基金项目：国家自然科学基金项目（50908016)

Project of National Natural Science Foundation, of China (50908016)作者筒介：梅葵花，副教授，E-mail:meikUihUa®163.C〇m。研究方向：纤维复合材料缆索承重桥设计理论与新技术，大跨组合体系拱桥设计关

键技术。

多跨连续梁拱组合体系桥梁施工关键问题研究 梅葵花，王贤良，赵育

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the hangers with great designed tension, the hangers should be tensioned in place in batch. With the above mentioned different schemes, the force conditions of the structure after the construction have been so far so good.

Key words： hybrid system bridge of girder and arch； cantilever casting method； finite element method ； cast-in-situ scaffolding ； counterweight ； temporary rigid fixity ； hanger tensioning se­quence; bridge construction1

概述

安康市城东汉江大桥横跨汉江，其主桥采用下 承式七孔连续梁柔性拱组合桥梁，跨径组成为（75十 2X 125 + 160 + 2X125 + 75) m，全长 810 m，总体布 置如图1所示，该桥是目前国内规模最大的下承式 多跨连续梁拱组合体系桥梁。该桥系梁为变高度双 箱单室直腹板箱梁，全宽33. 5 m。5个中孔设四管 式双肋拱，管内均充填C50微膨胀混凝土，与系梁 共同受力，各孔两拱肋间均设有5道横撑。

该桥结构为“刚梁柔拱”，采取“先梁后拱”的方 法施工。系梁采用平衡悬臂浇筑法施工，由于结构 不等跨，A孔跨中33 m梁段无法采用平衡悬臂施 工。通过对梁体配置体外索、设体外斜拉索施工、设 立支架现浇施工3种方案进行综合分析及比较，决 定跨中33 m梁段采用易于控制梁体质量和变形的 支架现浇法施工。拱肋钢管利用起重机吊装并完成 合龙，然后浇筑钢管内混凝土。待钢管内混凝土达 到设计强度后，安装并张拉吊杆。此后，“柔拱”和 “刚梁”形成一体，共同承受外荷载，但拱在组合体系 的变形中处于服从地位。

目前，关于连续梁拱组合体系桥的研究不多，已 有研究多针对连续梁拱组合体系桥各部件的设计计 算[11°]，鲜有涉及该桥型施工过程中遇到的问题，且 已有研究所涉及连续梁拱组合体系桥梁的孔数最多 为五孔，规模超过五孔的该桥型很少被研究。安康 市城东汉江大桥结构新颖、受力复杂、施工难度大， 施工过程中会遇到以下几个问题：中孔现浇段支架 的拆除时机对主梁的内力和变形影响很大，需要研 究最佳拆除时机；边跨主梁因不对称悬臂施工而设

3

关键问题研究

主梁合龙后，需要在后续的施工节段拆除A孔 跨中33 m长的现浇段支架。为确定合理的A孔现 浇段支架拆除时间，提出了 2种方案：

(1)

方案1，待主梁合龙后即拆除支架，再将吊

杆力张拉至设计值，后续施工拱肋的所有临时荷载 均由连续梁承受。该方案的优点是结构受力明确。

(2) 方案2,待拱肋吊装合龙后，先将吊杆力张3.1 A孔现浇段支架拆除时间2

有限元模型

本文利用有限元分析软件MIDAS Civil建立安 康市城东汉江大桥的全桥有限元模型（图2)，模拟 该桥的施工过程，并计算各施工阶段桥梁的受力状 态。主桥系梁、主拱拱肋、腹杆、平联及横撑均采用

梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟。采用弹性支 撑模拟该桥的支座约束条件，在32号墩顶设置固定 支座，其余桥墩墩顶均设置活动支座。全桥共计 8 631个梁单元，158个桁架单元。

有配重，配重拆除时机关系到施工过程中结构的安 全，需要研究配重拆除时机；多跨连续梁的施工，若 墩梁临时固结拆除顺序不当，会导致施工过程结构 变形突变，主梁线形难以监控，需要研究墩梁临时固 结拆除顺序；吊杆张拉顺序和张拉次数关系到结构 的安全和施工工期，需要研究吊杆合理的张拉顺序 和张拉次数。因此，本文针对以上几个关键问题进 行研究分析，并给出相关建议，用以指导该桥的实际 施工，并为同类桥梁的施工提供参考。

1安康市城东汉江大桥主桥总体布置

Fig. 1 General Layout of Main Bridge of Chengdong Hanjiang River Bridge in Ankang City

图

50

桥梁建设

Bridge Construction

2017, 47(4)

Fig. 2 图

2安康市城东汉江大桥主桥有限of Chengdong Hanjiang River Bridge

Finite Element Model for Main Bridge元模型

拉至设计值，再拆除支架，后续施工的所有临时荷载 由连续梁以及支架承受。该方案的优点是可通过吊 杆力将33 m长的现浇段自重传递给拱肋和金梁一起承受&

为分析2种方案下主梁的内力及变形，将主粱 合龙完成作为初始状态。2种方案的主梁弯矩及主 梁变形计算结果如图3、图4所示，图中坐标原点为 29号墩中心，下同。由图3和图4可知：

(1)

方案1由“主梁合龙完成”至“拆除A孔现

浇段支架”状态过程中，主梁弯矩存在较大突变，其 负弯矩最大峰值约为7X105 kN • m，正弯矩最大峰 值约为4X105 kN • m;而方案2的主粱正、负弯矩 峰值相对较小。

(2)

方案1的主梁竖向变形存在较大突变变化幅值为一45〜20 cm;方案2的主梁竖向位移变

Fig. 3 Bending Moment 图

3 2种of Main 方案的Girder under 主梁弯矩

Two Schemes

2010

I

--li-23l(

§

--1/-2-3轮54 #{但6期 鍊主梁合龙完成

7

州

•吊杆力张拉至设计值 ••• •拆除A

孔现浇段支架 -…成桥

0 100 200 300

400 500 600 700 800 850

主梁位置/m (b)方案2

Fig. 4 Deformation of Main 图

4 2种方案Girder under Two Schemes

的主梁变形

化幅值较小，约为一 7〜1 cm。

由于方案1支架拆除时吊杆未张拉，现绕段自 重完全由连续梁承受，导致主粱的内力和变形均较 大。因此，建议该桥A孔现浇段支架拆除时间按方 案2进行。3.2配重卸载时间

该桥的C孔设有拱肋，主梁上设有与吊杆相对 应的矮吊杆横梁，而边跨则不存在吊杆横梁。因此， 在30号、35号墩顶悬臂浇筑边跨和C孔时，为保证 平衡施工，需要在边跨侧设置配重。按照力矩相等 原则，在边跨相应位置配3 280 kN附加荷载。为方 便后续施工，需在某一合适的施工阶段拆除配重。 由于该桥附加荷载较大，考虑到拆除过程中结构的 安全状况，需找出拆除配重的最佳时机。因此，提出 了 4种配重拆除方案：

(1) 方案1，边跨合龙完成—拆除3 280 kN配重。(2) 方案2，C孔合龙完成—拆除30号、3墩顶临时固结—拆除3 280 kN配重。(3) 方案3，B孔合龙完成—拆除31号、3墩顶临时固结—拆除3 280 kN配重。

(4)

方案4, A孔合龙完成—拆除32号、3墩顶临时固结—拆除3 280 kN配重。

，其

5号 4号 3号

多跨连续梁拱组合体系桥梁施工关键问题研究 梅葵花，王贤良，赵育

51

依据4种配重拆除方案，分别模拟施工过程，得 到主梁在拆除配重过程中及成桥状态下的主梁弯矩 及变形，如图5和图6所7K。

-M\"0l1—

x/嵌

撕鍊州

~2

T0.0.0.0.0.0.I I !

I主梁位置

/m

(b

)主梁变形

Fig. 5图

under Different Schemes Bending Moment 5不同配重拆除and 方案for Removal Deformation 下的主梁弯of Counterweight

of Main 矩和变形Girder

由图5可知：方案1的主梁弯矩变化幅度最大，

约为7M104 kN • m，这是因为该方案是在单悬臂结 构上拆除配重，此时结构的整体刚度小，因而产生的 内力更大;方案2、方案3和方案4的主梁弯矩依次 减小。方案1和方案2的主梁变形变化幅度约为 〇. 9 cm，方案3和方案4的主粱变形变化幅度约为1. 6 cm，可见4种方案的主梁变形均不大，变形不是 芙键因素。由图6可知，4种方案下，成桥时主梁的 弯矩和变形几乎一致。可见，不同的配重拆除方案， 主要影响施工过程中主梁的内力和变形，对成桥时 主梁的弯矩和变形影响很小。建议按方案3或方案 4拆除配重。考虑到施工过程中主梁的安全，该桥 实际施工按方案4拆除配童5 3.3 A孔支点处临时固结拆除顺序

该桥主梁为七跨连续梁，全桥共设8处合龙口， 其主梁合龙及各墩顶的临时固结拆除顺序对结构受 力影响较大。因此，针对该桥的固结拆除顺序提出 2种方案：

---方案1 —方案2…••方案3 __•方案4

m■

g2

x嵌/»鍊州

100

200300 400 500600 700 800 850

主梁位置

/m

(a

)主梁弯矩

日--2

。--3/4

聆5

制6鍊78州9

0 100 200 300 400 500 600 700 800 850

主梁位置

/m

(b

)主梁变形

Fig. 6 图

6

成桥状态下的主梁弯矩和变形

Main Bending Girder Moment and Deformation ofof Completed Bridge State

(1)

方案1，边跨合龙—30号、35号墩顶临时固

结拆除孔合龙—31号、34号墩顶临时固结拆除 —B孔合龙—32号、33号墩顶临时固结拆除—A孔合龙。

(2)

方案2，边跨合龙—C孔合龙—拆除335号墩顶临时固结—B孔合龙—拆除31号、34号 墩顶临时固结—A孔合龙—拆除32号、33号墩顶 临时固结。

分析2种方案下关键施工阶段（C孔、B孔、A 孔合龙以及成桥）时主梁的变形，结果如图7所示。

由图7可知：C孔、B孔、A孔合龙后以及成桥 时，方案1的主梁最大下挠分别为6，7,6. 5，8 cm， 而方案2的主梁最大下挠分别为0. 6,2,3. 3,6. 6 cm;方案1的主梁变形存在突变，而方案2的主梁 变形则比较光滑。因此，建议该桥采用方案2施工0 该桥在采用方案2后，实际施工过程中结构的变形 平顺，与计算结果一致。3.4吊杆张拉顺序

为保证主梁和拱肋的安全，吊杆需要按合理的 张拉顺序分次张拉至设计值。吊杆的张拉顺序一般 需要遵循对称均衡的原则。该桥A孔的吊杆张拉

1/聆制鍊州

0号、

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桥梁建设

Bridge Construction

2017, 47(4)

2I 4 6

I8 I

I100 200 300

400 500

600 700 800 850

主梁位置/m (a)方案1

1 2i 3 4 5 6I7

11

l i

I0 100 200 300

400 500 600 700 800 850

主梁位置/m (b)方案2

图

Fig. 7 7 2Construction Deformation of Main Girder in种方案施工过程中的主梁变形

under Two Schemes

顺序为“拱脚区域”，“L/4区域或3L/4区域 “拱顶区域”对称交替张拉，即①—•••—⑩，如图8所 示。B孔、C孔的吊杆张拉顺序与A孔类似。

该桥A孔吊杆力设计张拉值分别为750 kN

(A6〜A14)、600 kN( A1 〜A5、A15 〜A19)，B 孔、C 孔吊杆力设计值均为100 kN。由于B孔、C孔吊杆 力设计张拉值均较小，若分多次张拉则将对工期不 利。为选择合适的吊杆张拉次数，提出了 2种吊杆 张拉方案：

(1)方案1，将所有吊杆力分3次张拉至设计 值，第1次、第2次分别张拉设计值的40%，第3次

张拉设计值的20%:,

(2)方案2，B孔、C孔吊杆一次张拉到位，A孑L 吊杆分2次张拉，第1次张拉设计值的60%、第2

次张拉剩余的40%。

2种吊杆张拉方案下结构的内力如图9所示f 其中初始状态指施工阶段“管内混凝土浇筑完成”。

II

A7 A10 A3 A6 A9 A2 A5 A8 A1

张拉顺序 (a

)轴力

r

-令

—^

々名二二二參二二二象二、

---+—拱脚a— 拱脚L/4L/4((方案2)

-■-((方案方案 11)) 方案〇-拱顶(方案1)(2) 拱顶方案2)

-50_____j___|____|_____|____I i A9 亍A2 1 A5 A8 ........A1

¥初始 M A7 A10 A3 A6 ^

张拉顺序(b

)弯矩

Fig. 9 图

9 2种吊杆张拉方案下结构的轴力under Two Schemes Structural Axial Forces and Bending Moment与弯矩for Hanger Tensioning

由图9可知：吊杆张拉完成时，在拱脚和拱顶位 置，方案2的轴力接近于方案1的轴力，而L/4位置 处，方案2的轴力明显小于方案1的轴力；在拱脚、 拱顶和L/4位置处，方案2的弯矩均略小于方案1 的弯矩。说明方案2能在减少工期的基础上，使成 桥时拱肋受力更合理。因此，建议该桥采用方案2 进行吊杆张拉。该桥按方案2进行张拉吊杆后，结

构受力良好CJ

4

结论

本文以安康市城东汉江大桥主桥为工程背景， 研究了该桥施工过程中遇到的几个关键问题，得到 如下结论和建议：

(1)张拉吊杆使得中孔跨中现浇段的自重传递 给拱肋和主梁一起承受，因而主梁的内力和变形更

多跨连续梁拱组合体系桥梁施工关键问题研究 梅葵花，王贤良，赵育

53

小，建议跨中现浇段的支架在吊杆张拉后再拆除。

(2) 除配重。

当结构处于单悬臂状态时拆除配重，主梁

产生的内力更大，建议在中跨或次边跨合龙后再拆

(3)

对于多孔连续梁悬臂施工，边跨合龙后即

Performance of Tied Arch Bridge with Multiple Arch

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(4) 对称交替张拉能有效改善拱肋受力，设计 nese)张拉力较小时可以一次张拉到位，设计张拉力较大 时应分批张拉到位。

该桥实际施工过程按本文建议的方案执行，结

构受力状态良好。该桥已于2017年5月建成通车。

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梅1974 —葵花

1997，女，副教授

年毕业于西安公路交通大学

桥梁工程专业，工学学士，2000年 毕业于长安大学桥梁与隧道工程专 业，工学硕士，2005年毕业于东南 大学结构工程专业，工学博士。研 MEI Kui-hua

究方向：纤维复合材料缆索承重桥 设计理论与新技术，大跨组合体系 拱桥设计关键技术 E-mail：meikuihua@ 163. com

1971 —王贤良

2004，男，教授级高工

年毕业于长安大学道路工程

专业，工学学士，2010年毕业于长 安大学道路与铁路工程专业，工学 硕士。研究方向：大跨组合体系拱 桥施工关键技术 WANG Xian-liangE-mail：389710050@qq. com

赵育

1992 —，男，助教

2014年毕业于长安大学道路桥梁 与渡河工程（桥梁工程）专业，工学 学士，2017年毕业于长安大学桥梁 与隧道工程专业，工学硕士。研究 方向：混凝土桥梁结构性能 ZHAO YuE-mail：zhaoyuxyt@ 163. com

(编辑：王娣）