一种施工状态可调的大跨度组合体系拱桥顶推施工工法的制作方法

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体地说是一种施工状态可调的大跨度组合体系拱桥顶推施工工法。

背景技术：

组合体系拱桥以其优美的外形、合理的受力性能以及良好的经济性在大跨度桥梁建设中占有一席之地。常用的组合拱桥施工方法包括支架施工、转体施工、缆索吊装施工以及顶推施工等。

支架施工法对于钢结构组合体系拱桥而言，可先安装钢梁部分，再在钢梁上支架拼装钢拱，即先梁后拱的施工方法。无论采用何种方法施工钢梁，钢拱的施工均需要在钢梁上搭设支架，往往需要设置较多的临时墩才能保证钢梁的受力，而在江中设置临时墩和搭设支架的代价和难度均很高，且对于有通航要求的河流，临时墩设置位置和数量会受到通航限制。

转体施工法将拱肋或整个上部结构分为两个半跨，分别在两岸制造半拱，然后利用动力装置将两半拱体转动至桥轴线位置合龙成拱，该方法施工速度快、造价较低，但是对于位于江中、距离两岸较远的拱桥或者多跨连续拱桥并不适用。

缆索吊装施工通过设置塔架、锚碇、缆索等施工设施，利用缆索吊装系统进行无支架施工。但对于位于江中、距离两岸较远的拱桥，在江中进行塔架和锚碇的设置代价非常高，极不经济，且施工难度也很大。

顶推施工法是在岸侧搭设顶推平台，将拱肋、主梁拼装完成后整体向前顶推到位。该方法快速、环保、对通航影响小，近年来越来越受到青睐。“大吨位多跨组合拱桥带拱整体顶推方法”（专利申请号：cn101793010）提出带拱整体顶推的方法，但该方法拱梁之间仅通过撑杆临时连接，顶推完成后再安装吊杆，无法有效利用吊杆调整顶推过程中拱梁的受力，而且延长了水中临时支墩的存在时间，影响桥下行洪及通航；“网状系杆拱桥的整体顶推施工法”（专利申请号：2011101028797）提出网状系杆拱桥的无导梁整体顶推方法，但该方案并未考虑整个施工过程中吊杆力的可调性，而且无导梁整体顶推方法对于大跨度桥梁来说施工成本高；另外在施工过程中，结构为时变结构，结构的抗力是一个随机变量，荷载也随施工进度不断变化，以确定性理论来指导施工难以全面保证结构的安全性。所以对于大跨度拱桥来说目前的顶推施工工法存在不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种施工状态可调的大跨度组合体系拱桥顶推施工工法，通过吊杆及临时撑杆将顶推过程中拱、梁受力控制在合理范围之内，减少顶推过程中临时墩数量以及存在时间，降低对桥下行洪以及通航的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种施工状态可调的大跨度组合体系拱桥顶推施工工法，其特征在于该工法包括：在陆上搭设顶推平台，将钢拱、主梁、吊杆以及连接钢拱、主梁的临时撑杆在岸上先期组拼为梁拱组合体系，并对吊杆进行初张拉，在将带吊杆及临时撑杆的梁拱组合体系整体进行顶推过程中，不断调整吊杆张拉力以适应体系的变化直至顶推到位。

进一步地，组拼为梁拱组合体系时，首先拼装主梁，然后在主梁顶面卧拼拱肋并通过竖转将拱肋就位，待完成拱梁连接后，安装拱、梁间吊杆及临时撑杆。在主梁拼装完成后，利用主梁顶面作为拼装平台进行拱的拼装，然后通过竖转工艺将拱肋就位，无需搭设拱肋支架。

进一步地，所述的吊杆是在顶推开始前预先安装的，带吊杆进行顶推，顶推过程中，以构件应力限值为基础构造功能函数，确定顶推过程中吊杆张拉力，通过优化吊杆张拉力调整顶推过程中的施工状态，保证全过程的可靠性。

进一步地，所述的临时撑杆是安装在拱与梁之间的，临时撑杆具有足够的刚度，顶推到位后方可拆除。

进一步地，所述的整体顶推是将拱、梁、吊杆、临时撑杆作为一体进行顶推。

进一步地，该工法具体包括以下步骤：

步骤一：

（1）搭设栈桥及基础施工平台结构，设置临时墩；

（2）基础、墩身施工，顶推用水中临时墩施工，永久墩上顶推用临时支架施工；

（3）钢梁、钢拱肋节段单元工厂加工，现场组拼；

（4）搭设拱梁拼装、顶推平台，提升站，采用多点顶推。

步骤二：

（1）在顶推平台上拼装钢主梁；

（2）在梁上拼装拱肋，并竖转施工就位；

（3）安装拱、梁间临时撑杆，并将吊杆进行初张拉；

（4）安装顶推用前导梁；

（5）对拱梁组合体系整体进行持续顶推施工，通过调整吊杆张拉力保证施工全过程的可靠性。

步骤三：

（1）待拱梁组合体系顶推就位，拆除临时撑杆；

（2）逐步拆除临时墩和拼装平台；

（3）调整吊杆索力。

步骤四：

（1）附属结构施工；

（2）全桥竣工。

上述施工工艺及临时措施，由于有永久性吊杆以及临时撑杆的存在，能够保证顶推过程中拱与梁的共同受力，减少水中临时支墩的数量，解决大跨度组合拱桥顶推施工中的关键受力问题，该施工工法通过调整吊杆张拉力对组合拱桥整体顶推过程受力状态进行实时调整，一定程度上保证拱梁协作性，提高了结构的受力性能，减少水中临时墩数量及拱梁临时撑杆数量，降低了结构施工的复杂程度，其在适用性、经济性、施工质量、施工工期等诸方面均有较高推广价值，对今后类似工程具有开拓意义。

附图说明

图1顶推过程示意图。

图2为临时墩布置。

图3为主桥总体布置图。

图4为主桥横断面布置图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明提出的一种施工状态可调的大跨度组合体系拱桥顶推施工工法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实例的目的。

结合图1至图4说明本实例施工状态可调的大跨度组合拱桥顶推施工工法，主要流程如下：陆上搭设顶推平台7，首先拼装主梁2，然后在主梁顶面卧拼拱肋1并通过竖转将拱肋就位，待完成拱梁连接后，安装拱、梁间吊杆4及临时撑杆3，将带吊杆4及临时撑杆3组合体系拱桥整体进行顶推，顶推过程中不断调整吊杆张拉力以适应体系的变化直至顶推到位。

结合某桥为背景工程，介绍具体实施步骤。该桥为（95m+280m）+420m+（280m+95m）的网状系杆拱桥。420m跨拱矢跨比为1/6，矢高70m，内倾角度3.5°；280m跨拱矢跨比也为1/6，矢高46.67m，内倾角度5.3°，拱肋采用五边形钢箱断面。拱肋横联形式采用一字撑，撑杆为八边形钢箱断面。吊杆采用网状布置，主梁上标准间距为9m，顺桥向倾角约60°。主梁采用正交异性组合桥面板组合梁，梁高4.15m。下部结构采用尖端型薄壁墩形式，矩形承台，钻孔灌注桩基础。95m+280m一联连续，420m跨简支。这里以420m简支跨为例介绍具体实施方式。

顶推施工时，桥面板尚未铺设，拱、梁之间的吊杆已安装并进行初张拉，钢拱和钢梁形成了一个拱梁组合体系。另外在钢拱与钢梁之间设置连接钢拱、钢梁的临时撑杆，使得拱桥在顶推过程中具有了桁架桥的特点，改善了顶推过程中的受力性能；在420m跨设置两个临时墩8，顶推前后端分别设置了长度为45m的前顶推导梁5、后顶推导梁6。各永久墩和临时墩顶均设置顶推设备，采用多点顶推进行施工。

本桥较为详细的施工步骤如下：

步骤一：

（1）搭设栈桥及基础施工平台结构，设置临时墩；

（2）基础、墩身施工，顶推用水中临时墩施工，永久墩上顶推用临时支架施工；

（3）钢梁、钢拱肋节段单元工厂加工，现场组拼；

（4）搭设拱梁拼装、顶推平台，提升站，采用多点顶推。

步骤二：

（1）在顶推平台上拼装钢主梁；

（2）在梁上拼装拱肋，并竖转施工就位；

（3）安装拱、梁间临时撑杆，并将吊杆进行初张拉；

（4）安装顶推用导梁；

（5）对拱梁组合体系整体进行持续顶推施工，调整吊杆张拉力。

步骤三：

（1）待420m跨拱梁组合体系顶推至图2所示位置时，拆除导梁然后继续顶推就位；

（2）拆除部分主拱临时撑杆；

（3）张拉部分吊杆；

（4）拆除剩余的临时撑杆；

（5）张拉剩余的吊杆。

步骤四：

（1）逐步拆除临时墩和拼装平台；

（2）调整吊杆索力。

步骤五：

（1）铺设预制桥面板；

（2）按照从跨中到拱脚的顺序逐段浇筑混凝土湿接缝。

步骤六：

（1）附属结构施工；

（2）全桥竣工。

桥梁在施工过程中，各种影响因素并不是确定的变量，会存在一定的变异范围，导致整个结构施工状态是一个随机过程，结构可能会在一定概率下出现可靠或失效的情况，以确定性理论指导施工具有一定的局限性。为此基于随机有限元理论计算施工全过程可靠度，发展了一套适合于组合系杆拱桥施工状态调整的方法，该方法以构件应力限值为基础构造功能函数，以结构可靠度满足设计要求为目标计算各个顶推阶段吊杆张拉力，达到施工状态可调的目的。

假设第i个施工阶段的功能函数可表示为z=r﹣s，式中z为施工阶段的功能函数，z>0代表结构安全，z<0代表结构失效，r为材料的相应应力允许值，计入材料性能的不确定性、几何参数的不确定性以及计算模式的不确定性，s为计算得到的关键构件截面的最大应力，为以吊杆张拉力、顶推力、恒荷载、风荷载等施工阶段荷载为设计变量的隐函数，以此为基础计算施工过程中z>0的概率，并将其转换为结构可靠度指标，在保证施工阶段可靠度满足设计要求条件下，计算施工阶段i吊杆张拉力。具体实施过程如下:

（1）确定顶推过程中作用荷载，根据现场测量结果确定吊杆张拉力、顶推力、重力以及其他作用荷载大小及其统计特征；

（2）根据钢结构加工厂提供的材料参数，并结合试验研究成果，确定钢箱梁及钢拱肋材料强度、截面尺寸等因素的统计特征，建立抗力r的概率统计模型；

（3）根据现场吊杆力测量结果确定其统计规律，根据吊杆张拉力、顶推过程作用荷载以及材料参数的统计模型计算各关键截面应力的大小及其概率分布模型；

（4）利用随机有限元理论计算各个顶推过程中主梁及拱肋的可靠度指标，以可靠度指标大于4.7为目标计算各顶推阶段吊杆张拉力，以此来指导施工。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。