大跨度鋼桁梁-拱組合結構拱肋架設關鍵技術

許君輝

（渝黔渝萬鐵路有限責任公司，重慶 400037）

0 引言

隨著世界橋梁技術的飛速發(fā)展，各種橋梁形式跨越江河能力越來越大，其中鋼桁梁－拱組合結構具有良好的跨越能力和豎向剛度，特別適應目前大荷載大剛度的要求。在對大跨度鋼桁拱橋的研究中，周超舟等[1]采用對比豎轉方案及兩側原位拼裝中間合龍，從結構受力、工期、臨時工程用量的方面進行比較確定施工方案研究。曾煒等[2]闡述柔性拱從散拼到整體的施工步驟；許穎強等[3]闡述拱肋采用“纜索吊機+斜拉扣掛法”架設施工工藝。本文在前人研究的基礎上采用鋼桁梁合龍后主拱肋先采用架梁吊機分節(jié)段吊裝至支架上焊接成整體，再由提升支架整體起吊提升至設計位置，方案新穎，可操作，結構穩(wěn)定可靠。

1 工程概況

圖1 鋼桁梁-拱結構圖

清水坪烏江大橋（96+240+96）m 鋼桁梁－拱組合結構為跨越烏江主航道而設。主桁采用無豎桿三角式，桁高14m，節(jié)間長度12m，主桁中心距14m。加勁拱采用單拱面，在拱腳位置分為兩肢，分肢長度24m。計算跨徑L=228m，設計矢高f-45.6m，矢跨比f/L=1/5；拱軸線為圓弧線，半徑165.3m。拱肋于拱頂設置最大132.5mm 預拱度，施工矢高f=45.7325m，主拱工廠預制時拱軸線仍按圓曲線制造，應同時改變圓心，保持割線長不變。拱肋采用箱形截面，截面高度2 500mm；分肢段主拱采用“日”字形截面，通過設置平行于頂底板的中間板作為加箱形截面加勁肋，分肢范圍內截面寬度與上弦桿一致，為1 000mm，頂底板及腹板板厚均為40mm；吊桿共設32 根，采用平行鋼絲冷鑄錨吊桿，拱上張拉。梁上錨點間距12m，采用鋼錨箱錨固，設于上弦桿頂面；吊桿上錨點采用錨管構造，并使吊桿為拱軸線徑向。

拱肋劃分為三大節(jié)段進行施工，劃分為22 節(jié)，即分拱肋節(jié)段（I）+3.2m 合龍段+跨中節(jié)段（Ⅱ～X），拱肋節(jié)段I 采取分節(jié)段支架原位拼裝施工方法，跨中節(jié)段采取分節(jié)段支架拼裝再整節(jié)段提升施工方法。

圖2 拱肋節(jié)段劃分

2 施工方法

2.1 施工步驟

Step.1 鋼梁合龍后，利用架梁吊機在跨中拼裝支架Z9、Z10；利用架梁吊機拼裝兩個拱肋節(jié)段X；對位完成后焊接成整體，如圖3 所示。

圖3 步驟一

Step.2 利用架梁吊機在跨中拼裝支架Z8～Z2；利用架梁吊機拼裝拱肋節(jié)段Ⅷ～Ⅱ；對位完成后焊接成整體，如圖4所示。

圖4 步驟二

Step.3 利用架梁吊機拼裝提升支架；在提升支架頂安裝400t 連續(xù)千斤頂，如圖5 所示。

圖5 步驟三

Step.5 利用架梁吊機拼裝支架Z1；利用架梁吊機拼裝兩個拱肋節(jié)段I；安裝水平張拉索和豎向提升索及提升錨梁；交替張拉水平索、提升索，如圖6 所示。

圖6 步驟四

Step.6 提升主拱肋約19.5m 至設計標高，提升速度：4～6m/h；利用架梁吊機拼裝合龍段，完成拱肋合龍，如圖7 所示。

圖7 步驟五

2.2 支架安裝

拱肋支架搭設在鋼桁梁橋面板或上弦桿上，由支架Z1～Z10 組成。其中Z1 設置在主桁上弦A8-A10 頂，用于拼裝拱肋節(jié)段I；Z2～Z10 設置在鐵路橋面板頂節(jié)間橫梁與小縱相交處，用于拼裝拱肋節(jié)段Ⅱ～X。拱肋拼裝支架在岸上采用長線法進行加工，考慮橋面板至上平聯頂的距離為13.9m，將大部分支架第一節(jié)高度設置為18m 或16 m，支架高度較小部分考慮整體吊裝。由于拱肋支架連接系與鋼桁梁上平聯存在沖突現象，鋼桁梁內部部分拱肋拼裝支架無法進行安裝，需增加臨時連接系。主桁內部支架安裝完成時將底節(jié)下落至上平聯處時將柱腳處臨時連接系割除后將底節(jié)支架下放到位，調整支架位置及標高后將支架與橋面板焊接固定[4]。

提升支架主要由鋼管支架、分配梁、加強上下弦桿的貝雷梁組成，用于整體提升主拱肋節(jié)段。拱肋提升支架在鋼結構拱肋加工場整體加工，高度方向分兩節(jié)運輸，分節(jié)段從江面起吊。架梁吊機先吊裝支架底節(jié)，采用連接桿進行臨時固定。然后吊裝頂節(jié)，節(jié)段間采用法蘭連接。

2.3 拱肋安裝

鋼桁梁安裝完成后，在鋼桁梁上弦上方安裝兩臺架梁吊機，兩臺架梁吊機都從跨中向兩側后退的方向，一邊安裝支架至橋面板或弦桿上，一邊安裝對應的拱肋節(jié)段。

利用架梁吊機對稱逐步安裝拱肋及支架，鋼立柱安裝軸線垂直度單節(jié)控制在L/1 000 且不大于10mm，全柱軸線垂直度單節(jié)控制35mm 以內；平面高差允許偏差±5mm。采取廠內整體預拼，保證相對位置關系，散裝上橋安裝，安裝過程中測量復測監(jiān)控同步進行，以控制拱肋支架安裝質量。

拱肋支架為鋼管柱連接系結構，主管采用φ630mm×8mm、φ426mm×8mm 鋼管，立柱連接系采用φ273mm×6mm、φ219mm×6mm 鋼管，布設在橋面板或上弦桿上方，通過墊座與上弦桿焊接連接，各支架間間設置橫向連接系，保證支架的整體穩(wěn)定性。支架主管采用6m 的標準段設置，通過法蘭盤連接；連接系之間及連接系與主管之間采用相貫焊連接。

每組拱肋支架安裝完成后，在柱頭上布置85t 三向千斤頂及抄墊墊塊，用于調整拱肋節(jié)段位置及標高。利用限位擋塊固定85t 三向千斤頂底部的缸座，起頂時千斤頂與拱肋間利用橡膠防滑軟墊保護，防止拱肋表面損傷。

以單個拱肋支架、單個拱肋分段安裝為例，安裝步驟如下：

Step.1 將加工好的拱肋支架構件利用運輸船運輸至橋面下方，利用70t 全回轉架梁吊機安裝，過程測量監(jiān)控，確定抄墊塊位置及高度。

Step.2 利用運梁通道及小車將第一節(jié)段連接系桁片運輸到待安裝位，吊裝前在桁片兩端提前安裝施工掛籃，利用全回轉橋面吊機整體吊裝安裝，施工人員從鋼立柱上人爬梯到達施工掛籃處，調整連接系桁片位置進行連接固定；安裝另一面連接系桁片時，施工人員從支架桁片的連接系上到達安裝位置的施工掛籃，完成對位固定，過程測量監(jiān)控。

拱肋工地對接及拱肋上板肋嵌補段對接焊縫、角焊縫采用CO2氣體保護焊，焊接材料采用T494T1-1C1A（E501T-1Lφ1.2）。橋上將拱肋梁段組裝定位后，對稱焊接拱肋間對接焊縫。

2.4 柔性拱大階段提升

主拱肋采用架梁吊機分節(jié)段吊裝至支架上焊接成整體，再由提升支架整體起吊提升19.5m 至設計位置，主拱肋重約1 017t，水平索、提升索錨箱結構總重約80t，提升總重量合計約為1 100t，采用四點同步提升。

水平索型號為21×7-Φs15.2 鋼絞線，fpk=1 860MPa 的鋼絞線，單束長176m。水平索有4 道，鋼拱提升前應對水平索進行預張拉，張拉時水平索與提升索交替進行張拉，每束水平索張拉力125t；

拱肋提升段重量約為1 100t，采用4 點提升，單個提升點受力約為275t，考慮1.1 倍動力系數，單束提升索實際最大拉力為302.5t，提升索型號為31×7-Φs15.2 鋼絞線，fpk=1 860MPa。根據《重型結構和設備整體提升技術規(guī)范》（GB 51162-2016）要求，千斤頂選用4 臺400t 液壓千斤頂。

鋼絞線采用高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱直徑為15.24mm，抗拉強度為1 860N/mm2，破斷拉力為260.7kN，伸長率在1%時的最小載荷221.5kN，每米重量為1.1kg。鋼絞線符合國際標準，其抗拉強度、幾何尺寸和表面質量都得到嚴格保證。采用先進的設計方法（數字技術與有限元分析技術）和嚴格的質量控制措施，來確保提升油缸的絕對安全。

2.5 拱肋合龍

拱肋中間作為提升段，兩側作為散裝段。合龍口長度在工廠制造時預留適量的配切量，合龍前根據監(jiān)控數據進行精準配切。

為避免合龍時機不同步使拱肋產生內力造成不利影響，合龍時應同步完成一側合龍嵌補段焊接工作，然后同步完成另一側合龍嵌補段焊接。

拱肋節(jié)段提升到位后對主拱肋的拱軸線及每個拱上錨點進行測量，若拱軸線不滿足設計要求時通過水平索張拉或放張進行調整。當拱軸線及各錨點坐標滿足設計及監(jiān)控要求后對合龍口間距進行連續(xù)觀測，確定合龍溫度后方可進行合龍[5]。

為避免合龍時機不同步使拱肋產生內力造成不利影響，合龍時應同步完成一側合龍嵌補段焊接工作，然后同步完成另一側合龍嵌補段焊接。根據工期安排，拱肋合龍作業(yè)時間環(huán)境溫度較高，現場統計分析各時間段溫度后盡量選擇在陰天溫度變化最小時機進行合龍嵌補段焊接，同側嵌補段焊接應同步進行，并合理組織作業(yè)迅速完成焊接操作，保證合龍質量。

合龍段長度確定后，在與提升段拱肋連接一端焊接匹配件，匹配件焊接位置必須精確，在主拱肋合龍口端頭同樣位置焊接匹配件。在合龍口兩側設置支撐架進行拱肋豎向轉角及位移調整。調整就位后利用螺栓將匹配件進行連接。

2.6 吊桿安裝張拉

全橋共設置 32 根吊桿，采用平行鋼絲冷鑄錨吊桿，均采用PESC7-127 一種規(guī)格。吊桿整股鋼絲用高強纏包帶纏緊后外擠雙層HDPE 護套，高強低松弛鍍鋅φ7mm 鋼絲的抗拉標準強度 Rby=1 670MPa。最長吊桿 45.851m，最短吊桿 16.113m，拱肋上為張拉端，張拉端設有球形支座，錨固在拱肋上頂面，梁端采用鋼錨箱錨固于上弦桿頂面錨拉板位置[6]。

吊桿采用φ7 鍍鋅高強鋼絲，成品索彈性模量E＞1.95×105MPa。LZM7-127 冷鑄錨吊桿破斷力為8 162kN，設計索力為2 686kN，設計安全系數K=3.0。吊桿規(guī)格采用PESC7-127，鋼絲束公稱面積48.87cm2，鋼絲束理論重量38.4kg/m，含外層PE 套后42.2 kg/m。

當拱肋施工完，測量上下錨墊板的標高，安裝吊桿。利用汽車吊安裝吊桿，吊桿安裝按跨中對稱進行，拆除拱肋支架后安裝吊桿，安裝吊桿時必須保證拱肋錨墊板標高準確。

吊桿安裝完成后，按照設計要求，吊桿張拉前錨固端需安裝并測試光纖光柵傳感器及配套數據監(jiān)控軟件，確保張拉索力的均勻性和準確性在±1%的精度內，要求傳感器可在大橋運營期間隨時對索力進行監(jiān)控和采集。吊桿采用拱上張拉，設計給定張拉力為吊桿下錨頭墊板處的吊桿力，拱頂張拉力需要根據吊桿實際自重進行換算調整張拉值。

吊桿按先長后短、先偶數號后奇數號的順序進行張拉，張拉時橫橋向及順橋向均應對稱張拉。施工過程中應根據現場實際情況對吊桿初始張拉力進行調整，調整時應盡量保證吊桿一次張拉到位，且不出現吊桿脫空的情況[7]。

吊桿安裝完成后目標索力均為900kN，吊桿均采用一次張拉至吊桿索力目標值。即吊桿僅在安裝時張拉一次，其余施工階段均為被動吊桿力。

3 施工監(jiān)控

大跨度鋼桁梁－拱組合結構柔性拱節(jié)段安裝、提升、合龍，水平索分級張拉、分級卸載及拆除等關鍵環(huán)節(jié)的全過程控制，以使得整個施工過程安全順利地進行。

（1）從柔性拱節(jié)段拼裝階段開始進行實時測量，分析影響柔性拱結構的參數信息，實時更新模型，保證柔性拱安裝線形和應力控制精確度。

（2）在柔性拱結構安裝過程中，必須通過設置的橫向、縱向、高程調整裝置進行精確定位，從而實現三維精確匹配。

（3）拱肋線型、拱肋應力、水平索張拉力是柔性拱安裝幾何精度的主控指標，是控制工作中的重點。

（4）在柔性拱定位安裝后需對柔性拱整體形態(tài)及結構應力進行監(jiān)測，作為結構安裝后的原始數據，為日后的結構分析提供數據支持。

4 施工難點

柔性拱在架設、提升、合龍過程中拱肋線性的監(jiān)控和控制為本工程的難點。柔性拱結構施工過程中的需要進行結構體系轉換，如何確保過程的結構穩(wěn)定性是本工程的施工難點。拱肋線性控制利用限位擋塊和三向頂進行限位和調整來保證拱肋安裝線性。采用水平拉索及PLC 同步提升技術進行結構體系轉換。本橋拱肋施工時間主拱未形成整體受力體系，風荷載對施工過程中梁體穩(wěn)定性以及合龍精度的影響比較大，如何確保結構施工安全是本項目的一個重難點。采用增設拱肋拼裝支架的水平聯結系，以保證拼裝支架的整體性[8]。柔性拱合龍點多（4 個）合龍點空間坐標的變化因素多，合龍精度要求高，施工難度大。拱肋節(jié)段提升到位后對主拱肋的拱軸線及每個拱上錨點進行測量，若拱軸線不滿足設計要求時通過水平索張拉或放張進行調整。施工監(jiān)測的內容多，監(jiān)測項目較復雜，如何確保施工監(jiān)測工作順利進行，根據現場需要及時提供有效數據是本項目的一個重難點。建立完善且有針對性的施工監(jiān)控方案，并有警示機制及應急處置方案。

5 結論

大跨度鋼桁梁－拱組合結構拱肋架設關鍵技術采用分節(jié)段吊裝至支架上焊接成整體，再由提升支架整體起吊提升至設計位置，通過各階段施工監(jiān)控，可實現大跨度鋼桁梁－拱組合結構拱肋安裝的可行性和穩(wěn)定性，為今后類似結構的安裝提供借鑒。