非對稱外傾異形鋼拱肋安裝施工技術研究

許賀

（中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066200）

非對稱外傾異形鋼拱肋安裝施工技術研究

許賀

（中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066200）

目前，在不適宜大面積開挖橋樁基礎的城市環境中,多采用鋼拱系桿拱橋,系桿平衡恒載產生的水平推力減輕了基礎的受力負擔，尤其異形鋼拱橋結構設計新穎,更是近些年城市景觀需求較大的橋型之一。其獨特復雜的結構造型及不同于其他類型拱橋的受力特點，使其施工工藝要求高,安裝難度大。結合工程實例對異形剛拱肋架設施工進行了研究,詳細闡述吊裝方案比選、安裝支架設計及拱肋安裝調整工藝措施，為今后類似項目施工提供借鑒。

異形鋼拱肋；圣維南原理；桁架式定位支撐；豎向轉體；合攏體系轉換

1 工程概述

府河大橋為非對稱外傾拱橋，位于半徑R=600 m圓曲線上，孔跨布置為44 m+150 m+55 m。鋼拱肋北拱高約38 m、外傾30°，南拱高約51.4 m、外傾18°；兩拱肋分別位于各自的傾斜平面內。拱肋為矩形截面鋼箱拱，底面4 m等寬，從拱腳到拱頂側面高度5～3 m，見圖1。拱肋節段之間采用縱向加勁肋栓接、面板焊接的連接方式。鋼主梁為三跨連續“雙箱梁+格子梁”結構形式，見圖2。

圖1 府河大橋鋼拱肋

圖2 鋼主梁效果圖

2 拱肋安裝方案及施工難點

由于結構設計特點及橋址施工環境的影響限制，該橋拱肋安裝有以下關鍵點：（1）橋位處于城市核心景觀區，需優化架設方案，盡量減少棧橋等臨時設施搭建，以降低恢復環境的難度；（2）異形拱節段需在吊裝過程中進行豎向轉體調整到安裝狀態才能準確就位；（3）異形拱肋節段需精確定位，節段間需精確連接才能保證成拱線形滿足設計要求；（4）考慮日照溫差對拱肋合攏最終線形造成的影響。

3 異形鋼拱肋吊裝方案比選及可行性分析[1]

拱肋吊裝一般多采用龍門吊機吊裝方法,施工工藝簡單，安裝方便快捷,可以保證足夠的精度,且龍門吊起吊比較平穩,增加了安全可靠性。但該橋拱肋為異形結構,兩拱肋間距為80 m,每條拱肋都須配備一臺龍門吊，而且要在水中單獨搭建臨時軌道棧橋，經濟環保性較差。綜合該橋先梁后拱（即主梁在水上支架平臺安裝就位后安裝拱肋）的方案，經分析計算后考慮選用履帶式汽車吊在已建橋面吊裝拱肋節段方案，吊車設備操控性能平穩，調整靈活就位精確，更無需裝、拆，進、退場方便，適應性較強。按照工程進度要求，大吊機與小吊車可配合使用，全橋只需1～2臺吊車，費用較低。該橋最大的節段為南拱肋S3,重量為57.79 t，經過分析計算，該橋選用一臺QUY260 t的履帶起重機作為主吊設備，考慮90%的負載效率后，能滿足拱肋吊裝要求。

吊裝時汽車吊布置在主梁鋼邊箱上實施吊裝，由于吊車自重加上拱肋節段重量引起偏載效應，為了保證吊裝施工安全，選擇此最不利工況，即拱肋構件中水平吊距最遠的北拱肋S8段，進行了汽車吊吊梁施工結構安全計算分析。

3.1 計算分析模型

根據該項目結構特點和最不利吊裝工況[2-5]建立了分析計算模型，鋼橋面采用板單元模擬。

3.2 計算分析主要參數[6]

根據該項目結構設計，鋼梁采用Q345C鋼材。其主要計算參數取值為：Q345C鋼E=2.06× 105MPa，γ=7.85 t/m3。北拱肋N8段吊重36 t和不利工況條件下QUY260 t吊車吊裝作業時結構受力見圖3。

圖3 吊裝作業時結構受力示意圖（單位：mm）

3.3 計算結果

通過計算可得：X=67.55+121=188.55t，Y=26.45+ 121=147.45 t；受力面積A=10.0 m2。如果將X、Y按均布面荷載加載為：XA=0.0822MPa，YA=0.0643MPa，由于鋼箱主梁為格子梁體系，對于該局部受力問題，考慮到全橋計算模型的規模太大，根據圣維南原理和正交各向異性橋面板理論[7]，宜選取位于腹板之間和兩橫隔板之間的頂板進行計算，并設周邊固結，履帶輪壓按(188.55+147.45)×10×1 000/2/ (1 000×5 000)=0.336 MPa計算。

根據以上參數建模分析，結構有限元模型如圖4所示，選取兩腹板之間和兩橫隔板之間的一塊頂板進行計算，邊界條件設置為周邊固結，故屬于周邊支承板的結構力學問題。計算結果如圖5（a）～圖5（c）所示。由圖4可見，不論橋面板位移還是應力都在履帶輪壓范圍內是最大的，結構應力云和位移云都呈現兩條明顯的帶狀。結構變形如圖4所示，履帶輪壓下橋面板總位移最大值為1.02 mm，最大下撓位移為0.67 mm，由于局部壓應力作用，薄板在橫橋向位移最大，達到1.02 mm，但都在允許值范圍之內。橋面板應力計算結果如圖5（a）～圖5（c）所示，第一主應力最大值為221.77 MPa，等效應力最大值為 215.24 MPa，都在允許范圍之內。另外，由圖5（c）所示的應力矢量圖可以看出，在履帶輪壓下，橋面板橫向受力很明顯，且U肋在受力中發揮很大的作用。由于橋面板屬于薄板結構，在荷載作用下，由于薄膜張力的作用，使得橋面板超載能力極大，履帶吊在計算中自重是按最大值取定的，且沒有考慮周邊其他板的協助支承作用，因而在履帶輪壓作用下，橋面結構是安全的。

圖5 有限元計算結果

4 拱肋安裝支架設計

為便于拱肋加工廠實施“2+1”匹配加工，減少生產線及橋址臨時設施布置，鋼拱肋采用少支架法安裝，每條鋼拱肋劃分為13個施工節段,即全橋共需分布24個安裝支架。

每個拱節段的上端布置1付支架，每條拱肋下共布置12付。每付支架由4根ф1.5 m鉆孔灌注樁、1個（7×5×0.8）m的鋼筋混凝土承臺、4根ф630 mm× 16 mm鋼管及其剪刀撐、定位架和支撐架構成。鉆孔樁穿透砂卵石覆蓋層進入基巖3 m，承臺頂比河床面低1 m，鋼管立柱對應鉆孔樁布置，縱橫橋向間距3 m×5 m，支架橫橋向軸線垂直于該處拱肋。鋼拱肋安裝支架平面布置及結構見圖6所示。

圖6 拱肋安裝支架布置圖

因拱肋吊裝作業空間需要，各拱肋節段安裝后，不能及時拉設纜風繩，只能在距離拱肋吊裝位置2個節段的支架上設置纜風繩，以調整、固定拱節段的橫橋向位置和增強支架的抗風穩定性。

支架設計高度需同時考慮計入拱節段自重、外傾力及橫橋向最不利風荷載，計算得最高支架頂的橫橋向位移及內外側豎向彈性壓縮量[8]。

同時，為保證拱肋節段安裝穩定和線形，在每付支架頂設置1個拱肋定位架穩定拱節段上端；拱節段的下端采用在已安裝拱肋上口焊接限位碼板輔助定位。型鋼桁架式定位架設計：采用型鋼構成定位架和支撐架，定位架和支撐架焊接成一體；定位架外形尺寸1.6 m×5 m×4.3 m，一個重量約3～4 t。各條拱肋的定位架結構基本相同，僅根據各節段的豎向傾角用楔形鋼板調整拱肋底面定位架頂面斜角。支撐架的高度根據各支架頂面與定位架底面實際高差和支架受氣溫和荷載影響的豎向位移值確定。拱肋型鋼桁架式定位架及支撐架見圖7。

圖7 拱肋型鋼桁架式定位架及支撐架

5 鋼拱肋安裝順序及關鍵工序控制方法

每條拱肋先從P2墩拱腳開始安裝4個節段，然后再從P1墩拱腳開始安裝4個節段，最后安裝跨中5個節段。各節段安裝后只進行栓接，不焊接面板環焊縫；安裝合攏段之前，校核調整已按節段的姿態達到設計線形后，從下往上依次焊接環焊縫；最后安裝合攏段實施合攏并焊接。

5.1 拱節段吊裝角度預先調整

用兩臺50 t龍門吊抬吊拱節段進行側向轉動，初步達到拱肋的外傾角度，然后吊放至已設置匹配角度專用胎架的平板運輸車上就位，運輸至吊裝位置。拱節段運輸如圖8所示。

圖8 拱節段運輸示意圖

5.2 拱節段豎向轉體吊裝及安裝作業流程

使用一臺吊車作業存在拱節段豎向轉體較難的問題，針對豎向轉體角度大小差異，擬定表1中兩種拱肋節段起吊豎向轉體方法分別對應解決。

表1 吊拱豎向轉體方法及其優缺點分析

圖9 拱節段邊起吊邊轉體示意圖

圖10 拱節段平吊懸空后再轉體示意圖

拱肋吊裝應平穩、緩慢進行，水平移動速度不大于1 m/s，提升速度不大于0.25 m/s。拱肋就位時，盡量調整角度自然對齊，不可強搬硬拉，更不得擅自切割。節段安裝前，履帶吊緩慢吊裝拱節段至安裝位置，吊裝節段下端放到已安裝節段前端的碼板上，先安裝臨時匹配件上的定位螺栓（不完全擰緊）；然后將吊裝階段的上端放到支架頂的定位胎架上，調整接頭精確對位后安裝縱向加勁肋連接板，施擰高強螺栓，完成臨時連接，然后緩慢松鉤，解除吊繩，由此完成一個節段吊裝。同時注意各節段安裝后只進行栓接，不焊接面板環焊縫，為線性調整留有適當余地。

5.3 合攏段施工關鍵工序控制

合攏段安裝是全橋拱肋成型的關鍵，是一次體系轉換，能夠調整全拱肋各段焊接收縮變形、熱膨脹變形，起到保證拱軸線形的重要作用。為此對環境溫度進行連續監測，取得合攏口48 h的變化數據，根據合攏口監測數據的變化規律并結合當時氣候條件，確定最佳的合攏時間，合攏時再測量一次節段間距離，考慮適當流量后進行切割，完成合攏段制作。

南、北拱肋合龍并焊接完成后，在兩拱肋之間設置橫橋向臨時對拉索和外側纜風繩保證拱肋橫橋向穩定性，然后從跨中向拱腳依次卸落并拆除拱肋安裝支架。

6 結語

通過對全橋施工過程中的監控及檢測結果來看，在履帶吊負重作業過程中鋼箱梁受力合理，結構安全可靠，拱肋支架、定位支撐架的設計充分考慮支架與定位架實際高差、氣溫和荷載等多方面因素影響，滿足不同節段的豎向傾角要求，保證拱肋節段安裝穩定和線形。同時僅用1～2臺履帶式吊機就高效、安全地完成了拱肋安裝，在吊重狀態完成縱橫移作業時運行平穩，移動靈活，工作效率極高，能夠滿足不同傾角拱肋節段空中豎轉和平轉等精確安裝定位要求，科學施工，控制合理，解決了其他設備難以完成的拱肋三維定位作業。而且，少支架法架設拱肋相比滿堂支架法節省了3/4的臨時設施，有效降低了造價，整套方案具有經濟性、安全性、高效性等多方面綜合優勢，在城市拱橋施工中應用普遍，是該類型橋梁施工的優選方案。

[1]周翰斌.外傾式費堆成拱橋安裝方案綜述[J].中外公路，2011（1）：169-173.

[2]李國豪.公路橋梁荷載橫向分布計算[M].北京：人民交通出版社，1987．

[3]劉金平.獨塔混合梁斜拉橋承載力的檢測[J].世界橋梁，2011（4）：28-32.

[4]常付平，蔣彥征，李鵬.結合鋼桁梁正交異性鋼橋面板體系研究[J].橋梁建設，2011（6）：37-41.

[5]唐茂林，沈銳利，嚴 琨.受拉構件梁特性變化參數研究[J].橋梁建設，2011（5）：11-15.

[6]蘇從輝，秦建剛.濟寧市洸府河大橋結合梁架設施工技術[J].世界橋梁,2012（3）：33-35.

[7]常付平，蔣彥征.結合鋼桁梁正交異性鋼橋面板體系研究[J].橋梁建設，2011（6）：37-41.

[8]宋馨，黃鑫，孟丹丹.無錫興塘大橋-外傾拱肋中承式鋼拱橋的設計研究綜述[J].城市道橋與防洪，2007（9）：31-34.

四川古敘高速有望年內通車

古敘高速公路是四川省高速路網規劃建設的南向出川大通道宜賓—興文—敘永—古藺—習水高速的一段，全長65.73 km，概算總投資79.66億元。項目于2012年開工建設，計劃在2016年全線通車。

古敘高速公路建成后將打破“白酒金三角”交通制約瓶頸，串聯起京昆、廈蓉、成遵三大高速公路和宜賓、瀘州、仁懷三大白酒名城，成為四川與長江三角經濟圈、珠江三角經濟圈聯系和打造“中國白酒金三角”的主動脈。

U445

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1009-7716（2016）05-0165-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.047

2016-03-02

許賀（1983-），男，山西大同人，工程師，從事鋼結構技術營銷工作。