大跨度鋼箱提籃拱橋梁-拱同步施工技術(shù)

張 勇（中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131）

大跨度鋼箱提籃拱橋梁-拱同步施工技術(shù)

張 勇（中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131）

以寧波軌道一號(hào)線1期工程主跨220m鋼箱提籃拱橋作為施工案例，詳細(xì)介紹了梁體同步的工藝原理、關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用效果，以期為其它類似工程提供參考與借鑒。

大跨度提籃拱橋；關(guān)鍵技術(shù)；拱肋定位技術(shù)及線型控制；梁拱變形協(xié)調(diào)控制

1 工程概況

寧波軌道一號(hào)線 1期工程某區(qū)間斜跨規(guī)劃甬金高速連接線及甬梁線，設(shè)計(jì)采用主跨220m提籃鋼箱提籃拱橋。由于前期受征地拆遷影響，原設(shè)計(jì)圖紙中指導(dǎo)性施工步驟“先梁后拱”的施工技術(shù)進(jìn)行主跨220m鋼箱提籃拱橋施工，已不能滿足施工工期要求。需對(duì)傳統(tǒng)施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)。通過對(duì)“梁-拱同步施工技術(shù)”開展研究并實(shí)施取得成功，最大程度地提高了施工的速度，確保了工程質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)工期。

2 工藝原理設(shè)計(jì)

將梁體劃分為M個(gè)節(jié)段、拱肋劃分為N個(gè)節(jié)段，梁體施工及拱肋拼裝均從兩側(cè)主墩處向跨中進(jìn)行，如圖1所示。

具體施工技術(shù)流程如下：①集中進(jìn)行梁體支架及拱肋支架地基處理，進(jìn)行梁拱支架基礎(chǔ)施工；②從支點(diǎn)至跨中對(duì)稱進(jìn)行第 m節(jié)段梁體立模、鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工，同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行第（m+1）節(jié)段梁體進(jìn)行梁體及梁體范圍內(nèi)拱肋拼裝支架搭設(shè)施工，同步對(duì)稱進(jìn)行第（m-1）節(jié)段梁體范圍內(nèi)拱肋拼裝施工；③梁體施工完畢后，對(duì)剩余拱肋（除合攏段外）進(jìn)行拼裝施工；④張拉梁體第一批縱向預(yù)應(yīng)力，再拱肋合攏段拼接施工；⑤張拉梁體第二批縱向預(yù)應(yīng)力，拆除拱肋拼裝支架；⑥安裝張拉吊桿，拆除梁體支架，進(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)施工。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 梁體施工技術(shù)

3.1.1 梁體節(jié)段劃分

為給梁拱同步施工技術(shù)創(chuàng)造條件，同時(shí)降低混凝土收縮徐變影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，將梁體從支點(diǎn)至跨中分別劃分7個(gè)梁段。同時(shí)考慮到220m提籃拱橋橫跨新建甬金聯(lián)絡(luò)線，梁體支架基礎(chǔ)地基新建甬金聯(lián)絡(luò)線范圍內(nèi)不同于其他梁段。為避免不同地基基礎(chǔ)沉降引發(fā)梁體開裂，同時(shí)為后穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線創(chuàng)造便利條件，故對(duì)梁體節(jié)段劃分時(shí)，梁體節(jié)段邊線設(shè)于線路線路交界處，并各設(shè)置1個(gè)合攏段作為后澆帶。梁體節(jié)段劃分如圖2所示。

圖1 梁拱同步施工示意圖

圖2 梁體節(jié)段劃分圖

3.1.2梁體支架

采用碗扣支架進(jìn)行梁體澆筑施工，因橫隔板處橫向預(yù)應(yīng)力張拉后，梁體中間局部起拱托架，荷載橫向分配到系梁處，故在橫隔板處系梁下增設(shè)1根φ600 ×10鋼管支架（橫隔板吊桿處系梁下增設(shè)2根φ450 ×10鋼管支架），以滿足支架承載能力。梁體支架圖見圖3。

圖3 梁體支架圖

3.2 鋼箱拱肋安裝技術(shù)

3.2.1 拱肋節(jié)段劃分

拱肋采用分節(jié)廠內(nèi)加工，運(yùn)至橋位節(jié)段吊裝施工。根據(jù)拱肋結(jié)構(gòu)及吊裝要求，將拱肋劃分為鋼混結(jié)合段、標(biāo)準(zhǔn)段、合攏段共計(jì)42個(gè)節(jié)段；拱肋橫撐為自然劃分，共計(jì)11個(gè)橫撐。其中拱肋重為 32.5t～70t，橫撐重10.4t～25t。具體節(jié)段劃分如下圖 4所散。因拱肋最大截面高度為 6m，考慮運(yùn)輸要求，將 1～4#節(jié)段拱肋分別劃分為2各塊體，如圖5所散，運(yùn)到橋位在吊裝前組焊成整體，節(jié)段整體吊裝。

圖4 鋼箱提籃拱橋1/2拱肋節(jié)段劃分圖

圖5 拱肋1～4節(jié)段高度方向分塊圖

3.2.2 拱肋拼裝支架

拱肋支架基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。由于土層多為淤泥質(zhì)粘土，壓縮性高，承載力較小，為提高地基承載力，抑制土層的壓縮變形，項(xiàng)目采用松木樁進(jìn)行地基處理，樁頂鋪設(shè)一定厚度的碎石墊層，樁頂深入碎石層20cm。支架基礎(chǔ)如圖6所示。

拱肋支架采用格構(gòu)柱支架，鋼管類型為φ 400x10mm，格構(gòu)尺寸為3x3m，格構(gòu)斜撐和橫撐為雙拼16#槽鋼，頂端采用2I50工字鋼組合作為拱肋支撐平臺(tái)格構(gòu)支架與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼管焊接。拱肋格構(gòu)支架安裝圖見圖7所示。

圖6 拱肋支架基礎(chǔ)

圖7 拱肋格構(gòu)支架

3.2.3 拱肋橋位安裝

在充分綜合考慮各拱肋自重、吊車起重能力、拱肋吊點(diǎn)選擇、鋼絲繩夾角、吊鉤與拱肋理論重心一致等基礎(chǔ)上，對(duì)橋位吊車站位、回轉(zhuǎn)半徑、工作半徑、吊桿主臂長(zhǎng)度等進(jìn)行各拱肋吊裝研究，并指導(dǎo)施工，本橋采用300t履帶吊或500t汽車吊從拱腳處向跨中吊裝。吊裝示意如圖8所示。

圖8 拱肋吊裝示意圖

3.3 拱肋定位技術(shù)及線型控制技術(shù)

為保證成橋質(zhì)量，確保成橋應(yīng)力狀態(tài)及線型與設(shè)計(jì)相吻合，需對(duì)拱肋進(jìn)行空間精確定位。因拱肋跨度及斷面尺寸均較大、節(jié)段重量較重、拱肋內(nèi)傾、橋梁縱坡、系梁預(yù)應(yīng)力張拉引起縱向壓縮、拱肋設(shè)計(jì)及施工預(yù)拱度、結(jié)構(gòu)安裝溫度等眾多因素影響，大跨度鋼箱提籃拱橋拱肋橋位拼接安裝空間精確定位施工較為困難和復(fù)雜。對(duì)橋梁施工技術(shù)控制提出了更高的要求。

3.3.1坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

本標(biāo)段設(shè)計(jì)給定施工坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系下坐標(biāo)，設(shè)計(jì)只給定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，要對(duì)拱肋進(jìn)行放樣定位，需按拱肋結(jié)構(gòu)分段情況詳細(xì)計(jì)算各定位測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，加之橋梁縱坡、拱肋內(nèi)傾、拱肋縱向預(yù)壓縮與偏量、豎向預(yù)拱度等結(jié)構(gòu)性參數(shù)影響，采用大地坐標(biāo)對(duì)拱肋各定位測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算和放樣均比較復(fù)雜。為方便各定位測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算和定位放樣，直觀反映結(jié)構(gòu)情況，本工程將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為局部施工坐標(biāo)系。如圖 9所示，局部施工坐標(biāo)系以小里程左右側(cè)拱座連線中點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)；X軸為橋梁結(jié)構(gòu)中軸線，其正方向指向大里程左右側(cè)拱座連線中點(diǎn)，Y軸為垂直于橋梁結(jié)構(gòu)中軸線，其正方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)右側(cè)；Z軸為垂直于X、Y平面坐標(biāo)系，向上為正。

圖9 提籃式鋼箱拱橋拱肋吊裝局部坐標(biāo)系設(shè)定

3.3.2 導(dǎo)線點(diǎn)施工坐標(biāo)系推算

局部坐標(biāo)系選定后，可通過退算將大地坐標(biāo)系下導(dǎo)線點(diǎn)轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)系下導(dǎo)線點(diǎn)，如圖所示，XOY為大地坐標(biāo)系（測(cè)量坐標(biāo)系），X'O'Y'為局部坐標(biāo)系（施工坐標(biāo)系），已知局部坐標(biāo)系原點(diǎn) O'在大地坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（X0、Y0），以及局部坐標(biāo)系X'方位角α，則P點(diǎn)在兩坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)化如下：

轉(zhuǎn)換前后導(dǎo)線坐標(biāo)如圖10、11所示。

圖10 導(dǎo)線大地坐標(biāo)圖

圖11 導(dǎo)線局部坐標(biāo)圖

3.3.3 定位點(diǎn)選擇

每個(gè)拱肋節(jié)段均采用全站儀三維坐標(biāo)4點(diǎn)定位，4定位點(diǎn)均位于頂板。定位測(cè)量點(diǎn)為節(jié)段劃分線與腹板外側(cè)邊線各內(nèi)移10cm交點(diǎn)，在鋼箱拱肋出廠前均進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)識(shí)，以便現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，能準(zhǔn)確找到測(cè)點(diǎn)位置，并進(jìn)行測(cè)量，如圖12所示。

圖12 拱肋拼裝定位測(cè)點(diǎn)

3.3.4 拱肋定位點(diǎn)施工坐標(biāo)計(jì)算

根據(jù)每個(gè)節(jié)段拱肋定位測(cè)點(diǎn)布設(shè)，需在拱肋拼接前進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算，為直觀反映結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)預(yù)拱度、預(yù)偏量等影響因素，方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，采用局部坐標(biāo)系進(jìn)行施工放樣，對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的同時(shí)，需對(duì)各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)均按局部坐標(biāo)系計(jì)算。各測(cè)點(diǎn)局部坐標(biāo)系坐標(biāo)關(guān)系如圖13所示。

圖13 拱肋拼裝定位測(cè)點(diǎn)坐局部坐標(biāo)系示意圖

點(diǎn)m為計(jì)算斷面中心點(diǎn)，點(diǎn)t、tw、tn分別為計(jì)算斷面頂板中心點(diǎn)、外側(cè)測(cè)點(diǎn)、內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)b、bw、bn分別為計(jì)算斷面底板中心點(diǎn)、外側(cè)測(cè)點(diǎn)、內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)。點(diǎn)m結(jié)構(gòu)平面內(nèi)坐標(biāo)為（X0、Z0），計(jì)算截面豎向夾角設(shè)為θ，截面高度為h，結(jié)構(gòu)平面豎直內(nèi)傾角設(shè)為α，兩拱腳中間距為B，測(cè)點(diǎn)距離中軸線結(jié)構(gòu)水平距離為b。

綜合坐標(biāo)系原點(diǎn)實(shí)際標(biāo)高H及橋梁縱坡i，考慮結(jié)構(gòu)施工預(yù)偏量Δx、預(yù)拱度Δz，鋼箱拱肋上下頂面測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為：

3.4 梁拱變形協(xié)調(diào)控制技術(shù)

根據(jù)施工方案，拱肋合攏前，需進(jìn)行第一批預(yù)應(yīng)力張拉，已拼裝拱肋固定支座一側(cè) 0#～9#拱肋均不隨第一批預(yù)應(yīng)力張拉出現(xiàn)縱向移動(dòng)，已拼裝拱肋滑動(dòng)支座一側(cè) 0#～9#拱肋均隨著第一批預(yù)應(yīng)力張拉出現(xiàn)縱向移動(dòng)，因支撐架高度不同導(dǎo)致其水平剛度不同，即對(duì)不同節(jié)段拱肋縱向彈性支承約束不同，加之不同節(jié)段拱肋剛度及水平傾角不同，拱肋在一批預(yù)應(yīng)力張拉工況下出現(xiàn)縱向水平位移計(jì)豎向位移均不同，為確保拱肋吊桿孔和梁體吊桿孔能夠精確對(duì)接，需對(duì)梁拱變形協(xié)調(diào)進(jìn)行研究并指導(dǎo)施工。

3.4.1 支座預(yù)偏設(shè)置

通過建立有限元三維模型施工工況分析可得30#主墩滑動(dòng)支點(diǎn)在第二批預(yù)應(yīng)力張拉后，水平壓縮量為102mm，與設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)吻合。故取常溫下因預(yù)應(yīng)力張拉引起縱向預(yù)壓量Δ0=102mm。

設(shè)寧波地區(qū)平均氣溫為 20℃，橋梁合攏溫度為10℃，混凝土膨脹系數(shù)取

則溫度影響預(yù)偏量：Δ'=-10×220000× 10-5=-22mm

故滑動(dòng)支座經(jīng)溫度修正后預(yù)偏量為80mm。

3.4.2 梁拱變形協(xié)調(diào)

因動(dòng)支座經(jīng)溫度修正后預(yù)偏量為80mm，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。常溫下有限元三維模型施工工況分析可得30#主墩滑動(dòng)支點(diǎn)在第二批預(yù)應(yīng)力張拉后，水平壓縮量為 102mm，故提取各施工工況下梁與拱肋變形量后需按系數(shù)λ=80/102=0.787進(jìn)行模型數(shù)據(jù)修正。修正后統(tǒng)計(jì)圖如14所示。

同時(shí)因滑動(dòng)支座一側(cè)拱肋與梁體滑動(dòng)支座預(yù)偏量相同，為80mm，固定支座一側(cè)拱肋與梁體滑動(dòng)支座預(yù)偏量相同，為0mm，為確保肋吊桿孔和梁體吊桿孔能夠精確對(duì)接，以拱肋為基準(zhǔn)，對(duì)梁體索導(dǎo)管進(jìn)行變形協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行索導(dǎo)管預(yù)偏，如圖15所示。

圖14 修正后吊桿處拱肋、系梁變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖15 吊桿處拱肋、系梁預(yù)偏數(shù)據(jù)

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

寧波軌道一號(hào)線 1期工程某區(qū)間斜跨規(guī)劃甬金高速連接線（斜交角約為 76.5°）及甬梁線（交角度約為18.5°），采用主跨220m提籃鋼箱提籃拱橋。主梁采用（25m+220m+25m）三跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，由系梁、橫隔板（梁）、面板組成。拱肋為變高度鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋平面內(nèi)立面線形為拋物線，結(jié)構(gòu)跨度為220m，由于縱坡影響，實(shí)際跨度為 219.929m。矢高44m，兩片拱肋橫向內(nèi)傾6°。吊索采用塑包平行鋼絲束，鋼絲采用73φ7mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，拱肋鋼箱內(nèi)采用張拉端冷鑄錨錨具，系梁端采用冷鑄錨錨具?？v向每隔8m設(shè)一吊點(diǎn)，同一吊點(diǎn)橫向布置兩根吊索，間距為0.8m，全橋共計(jì)96根吊索。結(jié)構(gòu)立面、橫斷面圖見圖16。

圖16 220m提籃拱橋結(jié)構(gòu)立面、橫斷面圖

4.2 實(shí)施效果

主跨 220m提籃拱橋位于高橋西站至高橋站區(qū)間，設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工方案為先梁后拱，計(jì)劃施工工期為18個(gè)月，因受前期征地拆遷影響，項(xiàng)目前期基本處于停工狀態(tài)，為保證軌道交通 1號(hào)線一期工程主跨220m鋼箱提籃拱橋如期完工，項(xiàng)目經(jīng)理部綜合施工環(huán)境、拱橋結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力梁體施工、拱肋制作及拼裝施工等施工影響因素及施工技術(shù)要求，通過方案比選及優(yōu)化后，成功采用梁-拱同步施工技術(shù)對(duì)本主跨220m鋼箱提籃拱橋進(jìn)行施工，實(shí)際所用時(shí)間為10月，比指導(dǎo)性方案用時(shí)縮短了8個(gè)月。

5 結(jié) 語

拱橋以其造型優(yōu)美、曲線圓潤(rùn)、富有動(dòng)動(dòng)態(tài)感，跨越能力大且能夠環(huán)境能夠完美協(xié)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，深受設(shè)計(jì)師青睞；隨著我國(guó)高速公路、鐵路和城市交通的發(fā)展，越來越多不同形式拱橋不斷涌現(xiàn)。應(yīng)用梁拱同步施工技術(shù)對(duì)拱橋進(jìn)行施工，有效地克服了傳統(tǒng)“先梁后拱”順序作業(yè)法多項(xiàng)缺陷，可充分利用施工工作面進(jìn)行施工，可實(shí)現(xiàn)梁體、拱肋施工作業(yè)隊(duì)能夠連續(xù)作業(yè)，滿足相鄰作業(yè)隊(duì)的施工時(shí)間能夠最大限度地搭接，有利于資源供應(yīng)的均衡管理和有效利用，整個(gè)施工過程為流水作業(yè)，大大縮短施工周期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可供類似工程施工參考借鑒。

［1］楊興旺，趙雷，李喬.提籃式系桿拱橋施工全過程承載力分析［J］.四川建筑科學(xué)研究.2004（3）.

［2］田仲初.大跨度鋼箱拱橋的施工控制關(guān)鍵技術(shù)與動(dòng)力特性研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

［3］徐君蘭.大跨度橋梁施工控制［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］張治成.大跨度鋼管混凝土拱橋施工控制研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

U445.4

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1007-7359（2016）02-0092-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.033