黄河流域下承式网状系杆拱桥总体施工方案比选*

孙 涛，霍凯荣，李 博，朱小金，李昊天

(中交二公局第五工程有限公司，陕西 西安 710119)

1 工程概况

济南齐鲁黄河大桥项目主桥为下承式网状系杆拱桥，跨径布置为 (95+280+420+280+95)=1 170m(见图1)，采用公轨同层轨道居中的设计方案，上部结构系梁采用正交异性组合桥面板组合梁，梁高4.12m，钢箱梁设计宽度60.7m，梁上现浇12cm厚高强纤维混凝土。钢拱肋采用五边形钢箱断面，420m跨主拱水平投影矢高69.5m，矢跨比1/6， 主拱拱轴线采用2次抛物线，提篮形拱，拱肋内倾角3.0°，拱脚之间的横桥向轴线距离为14.568m。钢箱梁总重37 473t，其中420m跨钢箱梁重13 221t；拱肋总重14 175t，其中420m跨拱肋重 7 763t。

图1 济南齐鲁黄河大桥主桥立面(单位：m)

黄河由于多年以来泥砂淤积的原因，导致有水不能通船、无水不能行车。需综合考虑工程安全、质量、进度、经济等多方面因素，研究钢梁、拱肋的施工顺序以及拱肋的安装工艺。

2 主桥施工方案比选

2.1 钢箱梁施工方案

根据现场条件，在黄河南岸布置钢箱梁拼装平台，采用步履式千斤顶顶推施工安装钢箱梁[1-2]，次中跨、中跨分跨顶推。钢箱梁9m为1个节段，每次在拼装平台上拼装2～4节后进行顶推。根据黄河水利委员会的管理要求，顶推临时墩间距按72m控制。标准梁段构造如图2所示。

图2 标准梁段构造

2.2 拱肋施工顺序对比

济南齐鲁黄河大桥为下承式拱桥，钢拱肋坐落在钢箱梁上，无法采用先拱后梁施工工艺，本文主要对梁拱同步顶推施工方案[3]和先梁后拱施工方案进行对比。

2.2.1梁拱同步顶推施工方案

在一整跨钢箱梁拼装完成后，在钢箱梁上完成拱肋拼装，再在拱肋和钢箱梁之间设置临时支撑，然后将钢箱梁、拱肋整体顶推，顶推就位后，拆除临时支撑、安装吊索，进行桥面混凝土施工。

2.2.2先梁后拱施工方案

钢箱梁在拼装平台上逐节拼装、逐节顶推。顶推就位后，进行拱肋拼装、吊索安装以及桥面混凝土施工。

2.2.3方案比选

1)工期 由于钢箱梁拼装平台的位置受限，钢箱梁需在黄河南岸大堤的拼装平台上拼装成型，顶推到北岸就位。

如采用梁拱同步顶推施工方案，北岸280m跨钢箱梁拼装完成后，需先完成北岸280m拱肋和临时支撑的安装，并同步顶推北岸280m跨钢箱梁、拱肋整体结构离开拼装平台后，方可进行中跨420m跨钢箱梁拼装。同理，南岸280m跨钢箱梁需待中跨420m跨钢箱梁与拱肋整体顶推到位后方可进行拼装施工。

如采用先梁后拱施工方案，北岸280m钢箱梁拼装完成之后，将其往黄河北岸顶推离开拼装平台，在钢箱梁顶推前移的同时，进行中跨420m钢箱梁拼装和顶推前移施工。钢箱梁顶推施工顺序按照北岸280m跨、中跨420m跨、南岸280m跨依次进行。在钢箱梁顶推到位后，即可在已就位的钢箱梁上进行拱肋安装。

通过对比，先梁后拱施工方案比梁拱同步顶推施工方案的施工工期可节省大约6个月。

2)经济性 梁拱同步顶推施工方案，在顶推施工之前，需在钢箱梁与拱肋之间设置临时支撑，将钢箱梁和拱肋形成临时桁架体系。顶推质量为钢箱梁、拱肋以及临时支撑的总和，在顶推长度相等的情况下，顶推质量大，对临时墩的承载能力和顶推设备的性能要求高，临时墩投入大。

先梁后拱施工方案中，单独顶推钢箱梁，落梁到位后方可进行拱肋安装。无须梁、拱之间的临时支撑，顶推质量小，对临时墩的承载能力要求相对较低，临时墩的投入相对较小；而拱肋安装所需的投入不会有太大变化，只是拱肋安装位置不同。

通过对临时墩、临时支撑的材料投入对比，先梁后拱施工方案比梁拱同步顶推施工方案的支架投入量可节省大约6 000t钢材。

3)安全性 两种方案的钢箱梁顶推施工工艺和拱肋安装工艺均一致，唯一不同之处为：梁拱同步顶推时，拱肋已安装在钢箱梁上方，顶推吨位大。以420m跨为例，梁拱同步顶推时，仅钢箱梁和拱肋质量即已达到20 984t，每延米的质量达49.96t。先梁后拱施工时，仅钢箱梁单独进行顶推，上方无其他附加荷载，顶推吨位相对较小，对顶推的控制相对较容易。以420m跨为例，每延米的顶推质量为31.48t，与梁拱同步顶推相比，每延米质量小18.48t。

对于梁拱同步顶推方案，在连续梁状态下，单个断面上临时墩需承载36 000kN以上。本项目的钢箱梁在成桥状态下为受拉结构，而在顶推过程中顶、底板局部需承受很大的压力，特别是在临时墩顶处钢箱梁的局部压力非常大，在顶推过程中钢箱梁的受力非常敏感，对顶推设备要求高。梁拱同步顶推其结构刚度变化大，顶推过程受力及变形复杂，对顶推施工及过程控制要求高。

因此，梁拱同步顶推施工方案比先梁后拱施工方案的施工安全风险更大。

2.3 拱肋施工方案比选

以中跨420m拱肋施工为例[4]，对比分析竖转提升法[5-7]、满堂支架法[8-9]和垂直提升法[10]。

2.3.1竖转提升法

将主桥中跨420m钢箱梁整跨顶推到位后，需在P20，P21号墩旁或钢箱梁顶面安装可供拱肋转体施工的塔架，在梁上拼装拱肋，拱肋拼装完成后，在塔架与拱肋间安装拱肋竖转施工用的后背索、转体拉索，并将拱肋竖转到位。方案可行性分析如下。

1)受宽梁窄拱的影响，若要借助P19和P22号主墩设置背索锚固墩，后背索安装需要斜向穿过次中跨的梁体，对钢箱梁结构质量控制不利。

2)若要避免箱梁斜向开洞，需要在红线以外单独设置临时锚墩，根据现场实际情况，临时锚墩选址难以避开基本农田区域，基本不具备可行性。

表1 中跨420m拱肋施工方案对比分析

2.3.2满堂支架法

在钢箱梁桥面完成满堂支架的搭设后，将在后场加工成型的拱肋节段运至现场，利用梁上的门式起重机进行安装，支架布置如图3所示。

图3 拱肋满堂支架法拼装示意

2.3.3垂直提升法

拱肋纵桥向分成3段进行拼装，中段拱肋采用低位拼装、垂直提升法安装，边段拱肋采用梁上支架拼装，待3段拱肋均拼装完成后，分级张拉竖向拉索和水平拉索，通过调整水平拉索的有效拉力来控制中段拱肋拱脚处的变形。通过连续提升千斤顶整体竖向提升中段拱肋，中段拱肋提升到位后与边段拱肋进行焊接合龙，如图4所示。

图4 拱肋垂直提升示意(单位：m)

2.3.4方案比选

施工方案比选如表1所示，结论如下。

1)因桥梁红线外为大量基本农田和黄河水利委员会禁止施工区域，现场基本不具备临时锚墩布置条件，所以不推荐采用竖转提升方案。

2)在施工工期方面，各方案差别不大。

3)在施工技术难度方面，满堂支架方案具备一定的优势。

4)在设备方面，满堂支架法因所用门式起重机支腿高达80m，相对垂直提升方案门式起重机自身施工安全风险更高；且满堂支架方案因门式起重机自重更大，梁上支架荷载更大，对钢箱梁自身的应力及变形影响更大。

5)如中跨420m拱肋施工使用垂直提升法，门式起重机支腿高约60m，可同时满足次中跨280m拱肋采用满堂支架法时的门式起重机高度要求。

3 结语

综合考虑工期、施工难度、经济性、安全性等方面，济南齐鲁黄河大桥项目采用先梁后拱施工工艺，次中跨280m拱肋推荐采用满堂支架法进行施工，中跨420m拱肋推荐采用低位拼装+垂直提升法进行施工。