三门峡黄河特大桥墩身弧形帽梁施工方案设计

三门峡黄河特大桥墩身弧形帽梁施工方案设计

韩乃杰

河北四通路桥工程有限公司河北邢台054001

摘要：三门峡黄河特大桥墩顶弧形帽梁采用拱架现浇施工方案，为了满足墩身帽梁现浇拱架互相倒用的需求，本文对主桥及引桥拱架的基本结构、连接形式进行了设计，并制定了拱架安装拆除方案，此外按照施工过程，对拱架的受力行为做了深入分析。最终

关键字：弧形帽梁，现浇拱架，连接设计，受力分析，拆除

1.工程概况

三门峡黄河公铁两用特大桥合建段分为北引桥、主桥以及南引桥，桥墩均为门式空心墩结构，顶部为弧形帽梁结构形式。其中北引桥桥墩为N01#～N07#墩，南引桥桥墩为S01#～S08#墩，主桥桥墩为0#～11#墩，合建段墩身高度为40m～72m不等，采用落地式支架既不经济，也不便利，故采用支撑在墩身上的拱架现浇施工方案。

2.主桥弧形帽梁现浇拱架设计

主桥弧形帽梁均采用拱架现浇方案，混凝土分三次浇筑，第一次浇筑至拱顶以上1m位置，第二次浇筑至墩帽底，第三次浇筑墩帽，拱架结构图见图1。

图1主墩帽梁现浇拱架总布置图

2.1主桥弧形帽梁拱架基本构造与设计

施工拱架前，先在墩身位置预埋牛腿，待混凝土浇筑到墩身混凝土浇筑分界线并达到强度要求后，在牛腿上方放置楔块并架分配梁，拱架吊装为整片吊装，所有拱架吊装到位后再安装横向连接系，最后吊装钢模板，进行帽梁混凝土浇筑。

牛腿截面为H型钢，用来支撑整个拱架系统，为防止牛腿附近墩身混凝土开裂，在牛腿附近布置竖向及水平向的钢筋网片。楔块为两个正反叠放的楔形结构，通过楔块可以调整拱架标高，方便拱架安装与拆除。分配梁采用1根HN700×300型钢，直接放置在楔块上方，用来均匀的布置拱架。

考虑施工精度，墩柱之间的净距会有一定的偏差，为了确保拱架能够顺利安装拆除，并且满足不同墩身帽梁拱架的倒用需求，因此需要对拱架进行特殊设计。

拱架由两个半拱结构组成，半拱结构包括由拱圈和撑杆。拱圈为焊接工字形截面，采用Q345钢材，按帽梁圆弧半径加工；撑杆截面为双槽钢，采用Q235钢材。半拱之间通过活动接头相连，接头做成可调结构。接头分为两种，一种为拱圈转动接头，一种为撑杆伸缩接头。

拱圈连接接头构造组成有螺栓、拼接板以及销轴。拱圈端部隔板开孔，用于螺栓连接，为固定连接构件，用来承受施工荷载；拼接板开长圆孔，通过销轴做活动连接，在拱圈隔板的处的螺栓解除后，能够实现拱圈的平面转动。

撑杆接头做成可伸缩结构，该接头的构件为节点板、拼接槽钢以及连接螺栓。节点板在连接位置开螺栓孔并与撑杆焊接，拼接槽钢在设计位置开长圆孔，将节点板与拼接槽钢使用高强摩擦型螺栓连接，可调范围为±40mm。通过调解撑杆之间的间隙以达到调整拱架的跨度，确保拱架安装。为确保撑杆接头的安全，拱架安装后，撑杆的间隙使用楔块抄垫。

2.2主桥帽梁现浇拱架受力计算

混凝土分三次浇筑：第一次浇筑至拱架以上1m处；第二次浇筑至墩帽底位置；第三次浇筑墩帽混凝土，本次浇筑的混凝土重量不予考虑。利用MIDAS建模分析，为保证模型自重与实际结构自重相等，模型自重乘1.2的系数(由模型自动加载)，混凝土容重取26kN/m3，模板重为2.5kPa，人员、堆载为1.5kPa，风荷载按照《公路桥梁抗风设计规范》计算。

拱圈采用Q345B钢材，撑杆采用Q235B钢材：

Q345B钢材：正应力:200MPa；剪应力:120MPa；

Q235B钢材：正应力:140MPa；剪应力:85MPa；

组合一：强度验算

荷载组合：混凝土自重+拱架自重+模板自重+人员、机具荷载+振捣荷载+风荷载。

组合二：刚度验算

荷载组合：拱架自重+混凝土自重+模板自重

组合三：抗倾覆验算

荷载组合：拱架自重+风荷载

计算内容包括预埋牛腿的强度计算，分配梁的强度、刚度计算，拱架强度、刚度、稳定计算。利用MIDAS对拱架建模分析如图2：

图2拱架有限元模型

(1)混凝土加载方式一

第一次浇筑混凝土荷载按照水压力形式进行加载，荷载方向垂直于杆件，第二层混凝土浇筑按照竖向均布荷载加载：

图3混凝土荷载最终加载图（加载方式1）

拱架组合应力为155.9MPa，小于容许应力200MPa，跨中位移最大值为2.4mm<。

如图9，混凝土浇筑到5.2m时，下层横向2[20b达到最大压力139kN，此时拱架开始由受压向受拉转变。由上表可知，各个撑杆的应力小于140MPa，强度满足要求。

(2)混凝土荷载加载方式二

第一次混凝土浇筑过程中考虑混凝土的有效压头，荷载分为水平侧压力和竖直压力，水平方向荷载为混凝土极限侧压力值75kPa，竖直方向上为混凝土重力荷载：

图4混凝土荷载最终加载图（加载方式2）

由组合1计算拱架组合应力为150MPa，小于容许应力200MPa，跨中位移最大值为2.9mm<。

如图2，混凝土浇筑到4.2m时，下层横向2[20b达到最大压力83.4kN，此时拱架开始由受压向受拉转变。由上表可知，各个撑杆的应力小于140MPa，强度满足要求。

通过两种加载方式的计算结果(表1)对比可以看出，在计算压应力时加载方式1计算结果相对与加载方式2的计算结果偏保守，建议按保守设计。

4.拱架拆除方案设计

以主桥帽梁拱架拆除为例，拱架拆除分为三个步骤：

步骤一：

（1）在墩帽顶安装贝雷梁、连续千斤顶，在拱架中穿扁担梁，用钢绞线将扁担梁吊在贝雷梁顶连续千斤顶上，并预紧钢绞线。

（2）拆除楔块，使拱架与分配梁脱离。

步骤二：

（1）拆除拱架的拱圈连接螺栓(拱架销轴不能拆除），拧松连接槽钢上的螺栓，拆除拱架的抄垫，向内收紧拱架后再拧紧连接槽钢上的螺栓。

（2）拆除分配梁，割除牛腿。

步骤三：

（1）使用连续千斤顶将拱架、模板整体下放到地面。

（2）对墩身埋设牛腿的混凝土位置进行外观处理。

5.本文总结

根据设计情况，拱架安装拆除方便，能够满足各个墩身帽梁拱架倒用；并且由计算可知，拱架在施工过程中，拱架主桁、分配梁、牛腿等系统各构件强度、刚度、稳定性均满足规范要求。

参考文献：

[1]周水兴.路桥施工计算手册［M］.北京：人民教育出版社，2001.

[2]江正荣，朱国梁.简明施工手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005

[3]张志国，张庆芳.钢结构［M］.北京：中国铁道出版社，2008

作者简介

韩乃杰男，1988-，助理工程师，籍贯：河北省邢台市宁晋县，学历：工程硕士，研究方向：桥梁施工。