大跨度鋼桁架拱橋施工技術(shù)及質(zhì)量控制研究

(中交路橋建設(shè)有限公司,北京 100027)

0 引言

我國及世界上，有不少典型的大跨度鋼桁架拱橋，如九江長江大橋、南京大勝關(guān)長江大橋、新河谷大橋、榜花橋等，這些工程都是在多種科學(xué)施工技術(shù)的綜合運用下被建設(shè)完成的，且施工階段的控制可對工程安全、工期、成橋線性和應(yīng)力等產(chǎn)生重大影響[1]。

1 大跨度鋼桁架拱橋特點

總體而言，大跨度鋼桁架拱橋的特點如下所述：

（1）節(jié)間桿件的截面與鋼種可以依據(jù)受力大小而發(fā)生變化，具有良好的經(jīng)濟性能。桿件大多是承受軸向力構(gòu)件，可以較大化發(fā)揮材料本身的力學(xué)性能。

（2）因豎向剛度較好，故而可以充分滿足不同的行車需求。

（3）橋型雄偉龐大，外形柔和優(yōu)美，可輕易與周圍景觀呈現(xiàn)出和諧美，是現(xiàn)代工業(yè)化風(fēng)的一種良好體現(xiàn)。

（4）所用材料必須具有較好、較長的防腐性能，整體功能要具有較佳的抗疲勞性能。

（5）由于弦桿與腹桿具有一定自由度，且所受水平推力較大，故未完工工程的整體穩(wěn)定性能較弱。

基于以上特點，大跨度鋼桁架拱橋施工方要嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)要求，并采用合適的控制方法與模型，及時評估工程質(zhì)量與安全[2]。

2 大跨度鋼桁架拱橋施工技術(shù)

某鋼桁架拱橋為中承式拱橋，由桁架主拱圈、橋面梁系、吊桿及邊跨桁架梁組成，主要材料為Q345qD、Q345qE、Q370qE。

2.1 選擇施工方案與現(xiàn)場準(zhǔn)備

本工程綜合考慮現(xiàn)場實際施工條件，采用纜索吊機施工，施工時須全方位考慮工程結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、地形地貌、交通運輸狀況及其他施工環(huán)境等多類因素，以充分保障工程安全、質(zhì)量與進(jìn)度。吊機由大型有經(jīng)驗的專業(yè)制造商按照工程具體要求專制而成。主墩墩身施工完成后，進(jìn)行纜索吊機系統(tǒng)安裝與調(diào)試，并試吊。邊跨鋼桁構(gòu)件，于過渡墩外側(cè)定點處起吊，在枯水期安裝。桁拱以纜索吊機全懸臂實現(xiàn)安裝，構(gòu)件起吊至預(yù)定安裝位置后精確安裝。中跨桁拱合龍后，進(jìn)行吊桿、橋面梁系及其他附屬設(shè)施。

工程石料可在橋區(qū)周邊地區(qū)的大型石料廠解決，普通鋼材與水泥可就地購買，主橋所用特殊鋼材與木材應(yīng)從外地專業(yè)廠商處購買，以商品混凝土澆灌，工程用水直接利用城市供水及橋下水（指標(biāo)符合規(guī)范要求）[3]。

2.2 構(gòu)件制作、運輸及安裝

（1）制作。鋼桁構(gòu)件應(yīng)以設(shè)計、規(guī)范要求為依據(jù)，由專業(yè)廠家專門制作。全部構(gòu)件都須進(jìn)行電腦放樣，對構(gòu)件尺寸予以嚴(yán)格核對，并畫出零件草圖、下料草圖、排版圖，各圖應(yīng)將相關(guān)信息點標(biāo)示明確、全面。鋼桁構(gòu)件施焊時，應(yīng)先評定鋼材對應(yīng)焊接工藝，根據(jù)鋼材焊接所需電流、電壓、焊條、焊劑、焊接方式、焊縫層數(shù)、運條手法等，得到溫度對構(gòu)件尺寸及變形的具體影響，而后制定科學(xué)、合理的焊接工藝規(guī)程，以正確指導(dǎo)構(gòu)件生產(chǎn)，保障焊接安全與質(zhì)量。焊接完成后，還要按照一定的驗收規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格、全面、及時檢查焊縫質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量瑕疵，要及時進(jìn)行處理。

（2）試拼。出廠前必須依照一定要求進(jìn)行試拼，以精準(zhǔn)檢驗結(jié)構(gòu)的精度與線性。試拼采用臥式間隔節(jié)間法試拼兩側(cè)主桁，過程為：先用型鋼搭建試拼臺座四個，每臺座同時拼裝兩個節(jié)間，并于臺座周圍設(shè)置固定式測量平臺，以測量節(jié)點幾何尺寸與固定坐標(biāo)值，而后將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為以起始節(jié)點為原點的相對坐標(biāo)，并與理論坐標(biāo)進(jìn)行對照，以此檢驗構(gòu)件精度與桁拱線性。試拼時，為提升效率，可在設(shè)計要求滿足的基礎(chǔ)上，進(jìn)行間隔一節(jié)間試拼。

（3）運輸。構(gòu)件試拼合格后，分類打包，方可出廠，并裝船、裝箱運輸。運輸?shù)侥康牡睾螅梦U吊機卸貨。本工程所處地點交通運輸網(wǎng)較為發(fā)達(dá)，施工材料、設(shè)備、設(shè)施可通過水路、公路、鐵路三種方式聯(lián)合運輸。

（4）預(yù)拼。構(gòu)件預(yù)拼時，最好先將每節(jié)點的節(jié)點板預(yù)裝于第一根桿件上，因此要依照預(yù)計及現(xiàn)實安裝效率設(shè)置多個預(yù)拼臺座，臺座采用型鋼進(jìn)行焊接。試拼及預(yù)拼過程中，為減弱損傷節(jié)點板與桿件摩擦，則不宜使節(jié)點板與桿件夾緊。

（5）邊跨支架及構(gòu)件安裝。邊跨支架是為對應(yīng)構(gòu)件安裝提供支撐與輔助的，具體設(shè)置為：支架可采用嵌巖樁基礎(chǔ)，規(guī)格φ1500mm；單樁承載力設(shè)計為500t；承臺材質(zhì)為鋼筋混凝土，厚2.0m；支撐立柱為鋼管，規(guī)格φ1000mm×20mm；每邊跨各設(shè)置5排支架，并以最大懸臂時荷載控制設(shè)計各排支架；鋼管一節(jié)為6-9m，連接方式為法蘭接頭，每排鋼管豎向每6m則設(shè)置一道φ600mm鋼管平聯(lián)；各墩之間設(shè)置一道萬能桿件作為縱向平聯(lián)。支架構(gòu)件完成后，就可進(jìn)行鋼桁構(gòu)件安裝，安裝應(yīng)盡量選擇枯水期，并在具體過程中合理確定施工進(jìn)度，以保證支架基礎(chǔ)不被強水流沖刷。安裝時，要依據(jù)中跨桁拱合龍方式、支墩彈性變形、設(shè)計院提供的參數(shù)，確定出邊支點、臨時支墩、中支點初始坐標(biāo)，設(shè)置適合的預(yù)拱度，并良好安裝桁拱合龍調(diào)節(jié)設(shè)備。

（6）斜拉扣掛與壓載配重系統(tǒng)。為增強懸臂梁剛度、減弱懸臂端下繞幅度，將桿件內(nèi)力控制在合理范圍內(nèi)，應(yīng)在中跨桁拱懸臂安裝中，于懸臂端上安置由扣塔、斜拉索、鋼錨箱構(gòu)成的斜拉扣掛，使其與懸臂梁共同受力。為確保桁梁傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥1.3，保證施工安全，則在鋼桁節(jié)段懸臂拼裝中，要對邊跨靠近過渡墩的特定桁節(jié)進(jìn)行數(shù)量一定的壓載配重，配重材料為鋼材[4]。

（7）中跨桁拱安裝。中跨桁拱以纜索吊機安裝?；诎惭b效率的考慮，應(yīng)使用水上定位船，為緩解工程施工與河流航運矛盾，初步計劃使用400t方駁為定位船。中跨桁拱安裝注意要點有：1）合理預(yù)估是否要在洪水期或水位較高期間安裝中跨桁拱；2）安裝期間，要密切關(guān)注定位船吃水深度，以預(yù)防安全事故；3）當(dāng)中跨桁拱安裝至一定節(jié)段具有較小懸臂形態(tài)時，應(yīng)在合適時機聯(lián)測兩側(cè)桁拱高程及軸線，進(jìn)而有效調(diào)整中支點高程及軸線誤差；4）扣塔與中跨桁拱安裝同時進(jìn)行，為減小合龍難度，則要在桁拱安裝至一定位置時，依照實測高程調(diào)整斜拉索初始張拉力。

（8）吊桿、橋面梁系及其他附屬設(shè)施安裝。吊桿安裝以三種方法進(jìn)行，具體為桁拱安裝同時以纜索吊機安裝、纜索吊機后安裝、以其他方式同時安裝橋面梁系與吊桿。若橋面梁系與吊桿未同時安裝，則可在主橋合龍與兩側(cè)引橋施工后，利用汽車吊機于上層橋面板上進(jìn)行逐跨安裝。待橋面安裝結(jié)束后，便可安裝附屬設(shè)施。

（9）施工監(jiān)測與控制。由于工程安全、整體安裝、成橋線形、合龍良好性等受多種因素影響，所以在確保各類技術(shù)方案嚴(yán)格執(zhí)行外，還應(yīng)當(dāng)組建專門的監(jiān)測部門或小組，制定細(xì)致的監(jiān)測方案，對整體施工進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測與控制，以保障工程質(zhì)量，確保順利施工。主要的施工監(jiān)測點有：特定合龍方式下給定支點預(yù)拱度、支座應(yīng)力、典型斷面應(yīng)力、最大受力桿件應(yīng)力、斜拉索初始張拉應(yīng)力及具體應(yīng)力、桿件內(nèi)力受溫度的影響、桁拱合龍等[5]。

2.3 中跨合龍施工

中跨合龍是大跨度鋼桁架拱橋工程體系完成轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，合龍方式及時機將直接決定構(gòu)件受力、成拱線性、施工安全、工程效能等，中跨合龍施工關(guān)鍵點有：

第一，由于桁拱是空間桁架結(jié)構(gòu)，本身就具有較強剛度，且桁拱線性已經(jīng)具備基本樣態(tài)，因此中跨合龍線性控制主要以調(diào)整高度、軸線位置、合龍節(jié)段長度為內(nèi)容，調(diào)節(jié)方式為邊支點調(diào)節(jié)法，通過下降邊支點、轉(zhuǎn)動中支點調(diào)節(jié)合龍節(jié)段口高度。

第二，桁拱周邊偏差大小是確定調(diào)節(jié)方式的依據(jù)。若偏差較小，則可以通過設(shè)置側(cè)向風(fēng)纜，以桁拱側(cè)向變形進(jìn)行調(diào)節(jié)。若偏差較大，則要在調(diào)節(jié)高程前，于邊支點位置設(shè)置側(cè)向頂升千斤頂，轉(zhuǎn)動中支點調(diào)節(jié)。

第三，中跨合龍應(yīng)該選擇在日平均氣溫為16～v18℃、晝夜溫差相對較小的天氣或季節(jié)進(jìn)行。

第四，合龍段要盡量在夜間或陰天安裝，以減弱陽光偏曬對合龍段的不利影響。安裝完成后，要以最快的速度解除中支點活動支座臨時固結(jié)[6]。

3 大跨度鋼桁架拱橋施工控制

3.1 施工控制方法與原則

結(jié)構(gòu)分析方法有兩種，倒退分析和前進(jìn)分析。以施工方案、施工順序選擇前進(jìn)分析，分析內(nèi)容為：桿件內(nèi)力、懸臂位移、支點反力與位移、斜拉索初張拉力、斜拉索控制力、臨時系桿控制力等。前進(jìn)分析的實現(xiàn)以有限位移理論為依據(jù)，利用兩個新節(jié)點間單元模擬同一施工段的新拼裝桿件，且實現(xiàn)過程是循環(huán)往復(fù)的。循環(huán)結(jié)前進(jìn)分析不但可作為成橋結(jié)構(gòu)受力、剛度驗算、結(jié)構(gòu)強度的可靠性依據(jù)，還可用以確定施工理想狀態(tài)，為桁架拱橋施工奠定堅實基礎(chǔ)。

3.2 施工控制模型

施工控制應(yīng)采用平面分析與空間分析兩種模型進(jìn)行分析。平面分析模型，將主桁結(jié)構(gòu)分為多個單元，以橋梁博士為輔助計算軟件，采用拱肋平面建模，并基于橫向聯(lián)系及施工荷載的影響，應(yīng)用等效節(jié)點力方式?？臻g分析模型，以空間結(jié)構(gòu)有限元分析為計算軟件，以設(shè)計施工圖、尺寸及有關(guān)材料為依據(jù)，利用空間梁、桿、索單元實現(xiàn)模擬建模，其中主桁桿件、主桁橫縱向聯(lián)系結(jié)、剛性系桿以梁單元模擬，體外預(yù)應(yīng)力束、吊桿以桿單元模擬，扣塔斜拉索、臨時系桿以索單元模擬。通過以上控制模型，計算或測得相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)評價工程是否合格、安全、優(yōu)質(zhì)。

4 結(jié)語

綜上所述，為確保大跨度鋼桁架拱橋工程的使用效能、經(jīng)濟效益、安全等，建設(shè)方要按照一定流程與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用相關(guān)施工技術(shù)，謹(jǐn)慎選擇施工方案，做好施工準(zhǔn)備，實現(xiàn)良好構(gòu)件制作、運輸及安裝，并采取科學(xué)控制手段，以避免工程誤差，有效完成相應(yīng)項目建設(shè)。