大跨度拱橋穿橋式臨時支墩拱肋安裝施工技術

中國建筑土木建設有限公司 上海 200122

1 工程概況

鄭州市龐村西南水北調大橋位于鄭州市南出口暨鄭州至新鄭快速通道上，上跨南水北調總干渠，全橋長220.8 m。南水北調大橋跨徑布置為25 m+164.4 m+25 m，主橋采用下承桁架式鋼管混凝土無推力系桿拱橋，整體結構體系為內部高次超靜定結構。主拱理論跨徑160 m，采用懸鏈線形，計算矢高32 m，矢跨比1∶5，拱軸系數m=1.3。橋面全寬60 m，分左右幅獨立設計。

南水北調拱橋主拱肋為4 肢鋼管桁架式斷面，每一拱肋為2 片由腹桿鋼管與上、下弦桿鋼管焊接形成的桁架片橫向連接形成；拱肋鋼管桁架為等截面布置，拱肋高3.8 m，拱肋寬2.1 m（圖1）。標準段拱肋上、下弦桿鋼管均采用Φ900 mm×16 mm的直縫焊接管，在拱腳至橋面以上約13 m范圍內拱肋弦管采用Φ900 mm×20 mm鋼管；腹桿采用Φ351 mm×12 mm無縫鋼管；桁架中鋼管及橫向連接鋼板均采用Q345C鋼焊接連接。2 個主拱拱肋除通過橋面上的風撐連接外，在橋面與拱肋相交處設置拱肋肋間橫梁進行橫向連接。主跨橋面共設置5 道風撐。

圖1 鋼管拱結構

2 技術難點

（a）南水北調大橋設計要求采用先梁后拱的施工流程，在吊索未施工加應力的情況下，不允許將橋面板承受施工荷載。這樣在先梁后拱施工時，橋面板不能作為拱肋安裝的臨時承點，同時也無法使用滿堂腳手架方法安裝拱肋。而在橋面已完成的情況下，臨時支墩如何設置是施工一大難題。

（b）南水北調大橋拱肋的吊裝，因拱肋的高度高、跨度大、橋面寬、吊裝幅度大，在吊裝方案選擇時，如何保證安全和經濟性是個技術難題。

3 方案設計[1,2]

3.1 方案比選

方案比選時，根據對施工現場的地形地貌的現場條件、現今技術裝備情況、經濟性和安全性的綜合考慮；認為穿橋式臨時支墩安裝法雖然具有一定的難度，但其安全可靠，且經濟。因此選定少支架安裝法作為本橋拱肋安裝的方法。

3.2 方案設計[3-5]

根據先梁后拱和橋面在吊索張拉前橋面板不能承受施工荷載，以及拱肋安裝方案采用少支架安裝法的原則，拱肋安裝的臨時支墩基礎設計在橋下地面上，在先梁后拱施工橋面板時，臨時支墩在橋面板處穿越孔洞，形成拱肋安裝的臨時支撐體系。但這樣施工時，應考慮對拱肋節段進行調整，保證臨時支墩的預留孔洞必須設置在橋面板，因此必須對拱肋節段進行調整，調整后的節段按圖2施工。

3.2.1 臨時支撐體系設計

臨時支墩需多處穿越橋面板，預留洞口必須準確。根據調整后的拱肋節段長度和拼接位置，臨時支墩的平立面布置見圖3、圖4。

圖2 鋼管拱分段示意

圖3 臨時支墩平面設計布置

圖4 穿橋式臨時支墩立面設計布置

根據鋼管拱節段的自重及現場的地質條件，臨時支墩采取鋼管格構柱支架。臨時鋼管格構柱支架主肢均采用Φ426 mm×8 mm的Q235鋼管焊接組成。其邊墩橫斷面為3 m×3 m，中墩橫斷面為3 m×6 m，橫撐采用20#槽鋼，橫撐間距3 m，頂部分配梁采用500 mm×500 mm×12 mm×12 mm焊接工字鋼與鋼管焊接牢固，上人爬梯采用50 mm×50 mm×5 mm和40 mm×25 mm×4 mm角鋼，并安裝安全護圈和休息平臺，連接結構采用Φ273 mm×8 mm鋼管。

3.2.2 臨時支架基礎設計

臨時支墩基礎根據拱肋的節段大小不同而產生的荷載大小不同，選用兩種基礎：

（a）I型基礎：適用于跨中外側拱肋合龍段支墩，采用C20混凝土，其抗拉強度ft=1.1 N/mm2。設計采用HRB235鋼筋，fy=210 MPa。基礎底部l=5 m，b=5 m，頂部l'=4 m，b'=4 m，基礎高1 m，豎向荷載N=800 kN，M=370 kN·m。清除基礎內腐土，然后壓實，鋪0.01 m碎石，基礎埋深要大于0.5 m（圖5、圖6）。

圖5 臨時支墩I型基礎平面

圖6 臨時支墩I型基礎立面

（b）II型基礎：適用于內側拱肋跨中合龍段支墩基礎，采用C20混凝土，其抗拉強度ft=1.1 N/mm2。設計采用HRB235鋼筋，fy=210 MPa。基礎底部尺寸l=8 m，b=5 m，頂部l'=7 m，b'=4 m，lc=6.426 m，bc=3.426 m。基礎埋深1 m，豎向荷載N=1 600 kN，M=370 kN·m。清除基礎內腐土，然后壓實，鋪0.01 m碎石，基礎埋深要大于0.5 m（圖7、圖8）。

圖7 臨時支墩II型基礎平面

圖8 II型基礎長邊立面

3.2.3 支架驗算

經MidasCivil2006仿真計算，結構自重、吊裝荷載作用下：結構最大應力為27 MPa，強度滿足要求；豎向荷載作用下支架豎向撓度4.5 mm，剛度滿足施工荷載的需求；支架的穩定性滿足要求。

考慮風載后：50年一遇按強度校核，強度滿足要求；6級工作風速工況按位移校核，剛度滿足施工荷載的需求；支架的穩定性滿足要求。

3.3 安裝設備選用

根據現場地形、支墩布置和拱肋安裝情況，拱肋吊裝作業半徑9～38 m，吊裝質量10～70 t，同時考慮主臂碰臂情況，選用采用QUY350履帶吊，超起配重，主臂60 m。

3.4 鋼管拱肋安裝步序設計[6-7]

鋼管拱肋安裝步序按下述步驟進行：預埋段和支架施工；內側拱肋安裝施工；外側拱肋和風撐依次安裝；另一邊的外側拱肋和風撐依次安裝。

3.4.1 鋼管拱肋（G1～G4）安裝施工

（a）拱肋預埋段G1的施工。預埋段定位前將定位支架先澆筑固接，再定位預埋段，預埋件與定位支架焊接固接并在側面加適當的骨架支撐。檢查預埋段位置并采取相應措施糾偏；確認預埋段位置偏差在可控范圍內后進行后續澆筑。

（b）G2～G4節段安裝施工。G2～G4節段安裝順序：內側拱肋安裝施工；一邊的外側拱肋和風撐依次安裝；另一邊的外側拱肋和風撐依次安裝（圖9）。

圖9 拱肋安裝示意

3.4.2 合龍段G5的安裝施工

（a）合龍前線形調整：合龍前，監控單位對鋼管拱肋線形及應力進行調整，使拱肋線形及應力符合設計要求。

（b）合龍溫度確定：施工的前半個月進行天氣觀察、氣溫測量，掌握氣溫變化規律，確定最佳合龍時刻。

（c）合龍段現場余量切割：考慮到鋼管拱肋的制造、測量、安裝誤差，焊接收縮變形及溫差等因素的印象，合龍段加工時增加10 cm的富余長度作為合龍時的調整余量。選擇與合龍氣溫差不多時間，測量左右2 個G4前端4 個角點坐標，以便對合龍段進行長度修正，現場放樣切割，并開好坡口。

（d）合龍：合龍段垂直起吊，當合龍段起吊至合龍口下方，調整起吊索，等待合龍時刻，準備對位。在與合龍溫度相同的溫度條件下，進行鋼管拱肋節段橫向環縫的焊接。

經后期測量，結果滿足設計要求和相關規范的規定。

4 結語

鄭州市南出口暨鄭新快速通道改建工程龐村西南水北調特大橋的施工，克服了大跨度、超寬拱橋先梁后拱橋面不允許承受荷載的拱肋安裝難題；從施工方案設計、施工工藝、質量控制等多方面總結了鋼管拱肋安裝施工技術，為以后類似工程提供了可借鑒的施工技術經驗。