采用半剛性接頭拱肋預制與吊裝施工

郝登科

摘要： 本文通過對錫北線東莊大橋系桿拱主橋拱肋預制和吊裝施工過程的分析，總結了系桿拱拱肋施工的相關技術要求。

Abstract： Based on the analysis of the arch ribs prefabrication and hoisting construction of the tied arch main bridge of Dongzhuang Bridge， the technical requirements of the construction of the arch rib are summarized.

關鍵詞： 拱肋預制；吊裝；半剛性接頭

Key words： arch rib prefabrication；hoisting；semi-rigid joint

中圖分類號：U445.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0116-04

0 引言

對于系桿拱橋，當采用預制裝配構件成橋時，拱肋需要在預制場進行分段預制，然后再進行安裝。拱肋接頭可采用濕接頭或半剛性接頭。采用濕接頭施工時，將預制好的拱肋按照設計坐標分段放置在支架上然后澆注濕接頭混凝土，待混凝土達到設計強度后拆除模板支架使拱肋成拱。采用半剛性接頭施工則是在拱肋預制時將濕接頭中的核心部分一起預制好，拱肋在安裝合龍時，拱肋接頭就能承受軸向壓力。采用半剛性接頭拱肋預制主要控制拱肋軸線、接頭平整度、拱肋分段預制長度；吊裝主要控制支架穩定性、接頭連接和橫向穩定。

1 工程概況

錫北線東莊大橋位于錫北線航道上，是無錫市惠山區跨錫北運河連接錫山區的一座橋梁，該橋全長256.08m。橋梁主跨為下承式預應力混凝土系桿拱系桿拱橋，全寬10.4m，系桿拱拱肋矢跨比為1/5，矢高為13.64m，工字形肋，高1.4m，寬1.2m；系桿采用等截面箱梁，系桿高1.6m，寬1.2m；每片拱片設間距為5.2m的吊桿12根，采用LZM7-37型成品吊桿；每根系桿內設12束鋼絞線，采用8Φs15.2mm；橋面系及所承受的活載通過中橫梁傳給吊桿，然后通過吊桿傳遞給拱肋和系桿。

2 拱肋施工方案

拱肋采用預制拼裝法施工，每側拱肋除端塊件外分三段——邊段、中段、邊段，進行預制，拱肋接頭采用半剛性接頭，接頭處設置接頭鋼板。為方便運輸，拱肋預制選在離橋址不遠的一處平整場地內，場地臨近河道，在拱肋預制好后采用浮船將拱肋塊件吊運至搭好的支架上進行拼裝。

拱肋預制采用平臥疊澆法施工，支架采用鋼管貝雷梁支架系統。拱肋安裝前先將拱腳、系桿、橫梁安裝到位，安裝拱肋時先安裝邊段拱肋再安裝中段拱肋，拱肋安裝好調整好中線后澆筑接頭混凝土，兩片拱肋合龍成拱后立即安裝風撐，然后逐步拆除橫向穩定風纜。

3 拱肋施工控制要點分析

拱肋施工分為預制和吊裝兩個部分。拱肋預制施工控制要點為拱肋線形控制及半剛性接頭裝配件控制，吊裝施工控制要點為前期支架搭設和吊運、安裝對接控制。

拱肋預制期間的線形控制是保證拱肋后期拼裝時能否準確對接以及拱肋成拱后線形能否滿足設計拋物線形的關鍵，也是拱肋在橋梁后期承受荷載時能否滿足使用要求的前提因素。拱肋采用半剛性接頭，接頭鋼板安裝位置是否準確、鋼板表面是否垂直于拱肋軸線直接影響到拱肋拼裝時接頭對接德嚴密性，增加處理難度。

支架是否穩固是整個橋梁施工的安全關鍵所在，吊運、安裝的方式和順序是保證拱肋拼裝能否順利的重要因素。

4 拱肋預制

采用半剛性接頭拱肋預制時對拱肋的線形控制和接頭鋼板安裝位置及鋼板平整度控制要求極高。拱肋各節段預制時必須滿足足夠的精度才能保證拱肋拼裝時接頭能夠精確對準，保證拱肋成拱后各段拱肋軸向壓力處于同一軸線上。根據場地空間大小以及為了保證各段預制構件尺寸一致，拱肋預制采用平臥疊澆法，一側拱肋各分段按成拱后軸線形式同時立模澆注混凝土，待混凝土達到一定強度后在其上鋪設混凝土隔離物，然后澆注另一側拱肋，待拱肋混凝土強度達到吊裝要求后，分段進行吊裝。

4.1 現場放樣

現場采用全站儀進行放樣，正式放樣前，需要利用計算機繪制好拱圈模型。由于設計提供的拱圈坐標點位密度有限，且點位不一定落在施工過程中的排架立柱中心點，施工參考價值不大，所以在正式放樣前，我們以拱點為基點，按1.3m間距重新劃分拱跨方向的X軸間距。根據拱軸線方程和設定0.05m預拱度，利用電子表格軟件實現拱軸線坐標的計算，然后利用AutoCAD軟件按照計算出的坐標繪制多段線，生成拱軸線模型。

拱軸線模型建立好后，在硬化好的場地，立用坐標法進行現場放樣。放樣過程中做好邊界控制標記，尤其是拱肋接頭鋼板位置，需保證兩段拱肋接頭處鋼板表面平行。

4.2 綁扎鋼筋、安裝接頭鋼板

現場放樣結束后，根據放樣標記，在現場綁扎拱肋鋼筋，鋼筋綁扎時，首先控制好拱肋外緣鋼筋骨架位置，確保鋼筋位置準確，骨架尺寸滿足要求，綁扎過程中嚴格控制鋼筋骨架垂直度。在綁扎鋼筋時，同時安裝半剛性接頭鋼板。接頭鋼板采用2cm厚鋼板，鋼板與結構鋼筋焊接牢固，鋼板四周設置鋼板固定角撐，并預留直徑3cm螺栓孔。兩相鄰分段預制拱肋接頭鋼板在安裝時保證密貼，并將接頭鋼板螺栓擰緊，以保證拱肋在預制過程中，各分段間軸線一致，提高安裝精度。

4.3 安裝模板、澆注混凝土及混凝土養護

拱肋模板采用竹膠板模板，模板分塊制作尺寸按照拱肋軸線放樣坐標尺寸確定，模板加固采用拉桿和弧形背肋。拱肋混凝土采用C50高性能混凝土，采用漏斗吊裝入模，混凝土施工時主要控制振搗過程，確保拱肋混凝土密實，特別是接頭處的混凝土密實，混凝土振搗過程由專人看護模板，防止跑模，混凝土振搗工在振搗時應特別留意接頭處的振搗，在保證混凝土密實要求時，還不能碰撞接頭鋼板，以免引起鋼板錯位。各分段拱肋立模、澆注混凝土同時進行。

拱肋混凝土澆注完成后，按照要求及時養護，14天內混凝土表面始終保持濕潤。拱肋混凝土終凝后立即松開接頭鋼板對接螺絲，讓拱肋混凝土澆注后自由收縮。

5 拱肋安裝

拱肋強度達到設計強度的100%后開始安裝。先安裝拱肋邊段，再安裝拱肋中段，左右對稱安裝， 采用攬風繩橫向固定拱肋，安裝完風撐，澆注完半剛性接頭外包混凝土，待混凝土強度達到設計要求后，再松開攬風繩，施工橋面板。

5.1 支架搭設

支架由鋼管支墩、工字鋼縱橫梁和貝雷梁組成，鋼管采用？準480×8mm螺旋鋼管，根據通航凈空要求及預制構件分節長度，系桿以下設四個支墩，跨徑布置為5.6m+13.8m+31.2m+13.8m+5.6m。支架搭設時，先搭設下部支架，待系桿、橫梁安裝完畢后再搭設上部拱肋支架。

鋼管支墩主跨墩采用10根鋼管，橫向2根，縱向5根，橫向間距為3m，縱向間距為0.8m，鋼管入土深度為6m。支墩外側設防撞鋼管，入土深度為3m，南北兩側共沿支架布設8根。每個支墩鋼管間由綴條連接。支墩頂橫向、縱向分配梁采用I40b工字鋼，臨時通航凈寬不小于26.7m，凈高不小于7m，航道最高通航水位4.59m。

岸邊支墩在陸上施工，河道內支墩將施工機械裝載在浮船上駛入施工區域后進行施工。鋼管樁施沉設備采用液壓振動錘，鋼管樁沉樁時，先用振動錘鉗口夾住鋼管一端，然后緩緩將鋼管提起使其下端進入水中。待施沉鋼管入水后，先使鋼管進入預定位置，調整鋼管使其豎向垂直并用鐵鉤、竹竿限位，然后開啟振動錘，振動鋼管使其緩慢下沉。鋼管樁下沉過程中，鋼管每下沉1m左右，采用經緯儀從兩個互相垂直的方向控制鋼管垂直度。

鋼管樁沉樁時除了保證鋼管垂直度外，鋼管的入土深度也必須保證達到設計深度，鋼管樁下沉施工前，先用竹竿探測水深，然后根據水深和鋼管長度判斷鋼管樁入土深度。單根鋼管一般不夠長度，需要接長。鋼管接長連接采用在接頭處補充弧形鋼板后進行焊接，鋼管接長前，對鋼管端頭進行修整，將沉樁過程中端口撕裂部分予以割除。

為使各根鋼管之間有效連接及傳遞剪力，提高其整體及局部穩定性，鋼管之間豎向每隔1.5至3m設置一道[12槽鋼綴條，綴條由橫綴條和斜綴條組成，與鋼管焊接后形成一道X型，橫綴條間距為1.5m。

鋼管樁打設完畢后，安裝I40b工字鋼分配梁。分配梁安裝時，現在鋼管樁頂隔開一個口子，放置橫向工字鋼，橫向工字鋼頂面放置縱向工字鋼，工字鋼接觸面滿焊連接。為提高工字鋼承壓能力，在工字鋼支點處的腹板上兩側焊接橫向加勁肋，加勁肋采用與工字鋼腹板等厚的A3鋼板，加勁肋與工字鋼腹板焊接，與工字鋼上下翼緣板頂緊不焊。分配梁采用汽車吊和小型浮船進行安裝，分配梁安裝好后，在分配梁上安裝貝雷梁。

5.2 拱肋各支點設置

拱肋支架搭設完畢后，在支架頂設置拱肋臨時支點，供拱肋吊裝時放置。拱肋中段臨時支點采用槽鋼制作成箱型支架，支架上放置橫向方木和楔形木塊支撐拱肋，拱肋邊段與中段接頭處放置在支架頂橫向工字鋼上，與拱肋端塊件接頭處設置楔形鋼墊塊支撐。

支點制作安裝時主要控制支點高度和放置位置，支點高度根據支架頂標高和拱肋軸線設計標高以及實測拱肋斷面高度確定，支點放置位置采用全站儀進行坐標放樣取得。拱肋底部與端塊件接頭處楔形鋼墊塊角度根據拱肋弧度進行計算后加工。

5.3 吊裝設備的選擇

邊段拱肋重約68t，中段拱肋重約125t，各拱肋段由浮吊船進行運輸吊裝。根據拱肋各段重量，我們選擇150t浮吊船進行吊裝作業。150t浮吊主船寬11m，長46m，船艏兩側各設兩個浮箱，船艉兩側各設一個，浮箱寬6m、11m。根據150t浮吊起重負荷表，150t浮吊在水平仰角65度的條件下，作業半徑為23m，起吊高度可達46.5m，起吊最大重量為132t。該河道一般水位高程4.59m，拱肋頂面最大高程為26.73m，距水面最大距離為22.14m， 150t浮吊可以滿足起吊要求。

5.4 吊裝工具

正式吊裝前，將吊裝所需鋼絲繩、卡環、繩卡、手拉葫蘆等準備好，所有吊裝工具均經過嚴格檢驗，確保質量合格。拱肋起吊采用鋼絲繩捆綁起吊，捆綁起吊時對捆綁位置進行防護包裝，以防損壞拱肋邊角。

該橋起吊最大拱肋塊件為拱肋中段，重約125t，四根鋼絲繩捆綁，兩點起吊。鋼絲繩選擇計算如下：

吊索水平夾角按α=60°，鋼絲繩安全系數取K=8，折減系數C=0.82。吊索水平夾角為60°時，鋼索受力為：

S=Q/Sinα×K/C=（1250/4/2）/0.866*8/0.82=1760.3kN

根據國標《重要用途鋼絲繩》（GB/T 8918-2006），選用直徑60mm纖維芯鋼絲繩（公稱抗拉強度為1870MPa），此鋼絲繩的最小砍斷拉力為2220KN，滿足吊裝要求。

5.5 拱肋翻身

由于拱肋在預制場采用平臥現澆，拱肋裝船前要在陸地翻身直立。拱肋翻身時采用六點起吊，構建頂部4個點，構件底部2個點。翻身起吊時，先水平起吊50cm左右，然后緩慢放松構件底部的副鉤，進行空中翻身，放松副鉤的同時緩慢提升主鉤，以防止構件端部著地，直至完成翻身。拱肋起吊翻身后擺放在事先制作好的土牛胎拱架上，土牛胎利用編制袋裝砂粒堆砌而成，應穩定堅實。

拱肋擺放好后，進一步檢查構件幾何尺寸及變形情況，并在支架上彈出構件縱橫軸線的控制線，便于構件就位時與中心線對應。拱肋正式吊裝前，在其上綁扎腳手架安全欄桿。

5.6 拱肋起吊、安裝

拱肋預制構件安裝順序為：先邊段拱肋，再中段，安裝按橋梁縱橫軸線兩兩對稱進行，橫向對稱兩段構件就位后用鋼管平撐連接，以增強橫向穩定性。待拱肋合龍后，盡快安裝風撐使其形成穩定結構。

拱肋吊裝前對支點進行坐標、水準復測，待吊裝拱肋下端事先綁好兩根麻繩，上端距端部1m處系好攬風繩，拱肋到位后，由人工拉繩來調節拱肋橫向位置。拱肋按照兩點吊掛吊索，兩吊點間距0.586L，離拱肋桿端0.207L，L為拱肋節段軸線長度。

首先吊裝上游拱肋邊段，當浮吊將拱肋吊至端塊件處時，將與端塊件連接的拱肋端部緩慢下落移動到位。下端先對準端塊件上標記的中線位置，拉繩實現就位，攬風繩放松和收緊在測量觀測下統一進行，隨拱肋接頭高程的升降而放、收。吊裝過程中，利用全站儀和水準儀在觀測臺上進行跟蹤觀測拱肋上端和下端。收緊攬風繩保持浮吊原位不動，徐徐調整上下兩吊索，精確調整拱肋中線和標高，將拱肋慢慢落座，在拱肋支架橫梁上塞楔形鋼墊塊，將拱肋支撐牢固，楔形鋼墊塊與拱肋弧面之間誤差可加墊木楔。拱肋中線和標高細微誤差通過手拉葫蘆和千斤頂進行細微調整。該節拱肋安裝完成后上端頭應比設計高出20mm，中線偏差不得超過10mm。拱肋安裝完成后，為增強拱肋的穩定性，放置其向下滑移，應及時進行拱肋、拱腳接頭處的鋼筋及預埋鋼板的焊接連接。

采用同樣方法安裝另一側拱肋邊段，然后進行拱肋中段的吊裝。拱肋吊運至支架上方未就位時，用兩臺水準儀同時觀測兩端邊段拱肋的上端高程，復核無誤后，將中段拱肋徐徐下落至支架頂橫向分配梁上，使兩端邊段拱肋頭均勻下降，并與中段拱肋準確合龍，符合要求后將對接鋼板采用螺栓擰緊連接，并將鋼板之間焊接牢固，若接頭鋼板之間不夠密貼，則將鋼板三邊先焊接封閉，然后從上面縫隙灌中灌環氧樹脂或環氧水泥，若縫隙比較小則墊薄鋼板進行填塞，處理好后將鋼板四邊進行焊接，螺栓擰緊。這樣使整個拱肋連接形成整體后，則縱向穩定能得到滿足。在安裝過程中，要特別注意控制好每個接頭的平面坐標及高程。

下游側拱肋采取同樣方法進行安裝。拱肋安裝好后，在拱肋上搭設鋼管腳手架，防止施工人員墜落。拱肋吊裝就位后，盡快安裝連接半剛性接頭外包混凝土鋼筋，今早立模澆注接頭外包混凝土。

拱肋合龍后盡早安裝風撐，使拱肋有足夠的橫向穩定性。

5.7 攬風繩布置

為維持拱肋安裝后的橫向穩定，需要在半剛性接頭附近設置橫向攬風繩。攬風繩可以看作是彈性支撐，根據作簡圖后進行計算的結果，選擇鋼絲繩規格為φ20（6×19）1400Mpa 級，根據實際情況布置鋼絲繩長度為L=46.39m，鋼絲繩與拱肋的水平夾角β=37度，垂直交角α=38度。攬風繩均為雙面對稱布置，必須保證雙向都拉緊，要防止一側攬風繩松弛而失效。

6 幾點體會

6.1 預制施工

①采用預制后拼裝施工工藝，對于臺座放樣精度要求很高，放樣時先用繪圖軟件計算整體坐標，再用全站儀實地放樣，最后用鋼尺做直觀復核，確保精度。

②預拱度需要按照設計預留，要確保線形符合設計。

③半剛性接頭處鋼筋及預埋接頭鋼板應加強處理，特別是接頭鋼板的平面位置必須保證兩接頭能順利對接。

6.2 安裝施工

①支架必須有足夠的承載力和穩定性。

②鋼絲繩等吊具必須有足夠的剛度，滿足一定安全系數。

③由于拱肋采用平臥預制，吊裝前要進行翻身擺放，該工況要進行驗算，防止構件產生裂縫。

④構件安裝時處于簡支狀態，支點需進行單獨設計。

⑤構件安裝時要根據計算預留預拱度，預拱度根據安裝工況及成橋線形要求通過計算確定。安裝預拱度應考慮拱圈自重產生的拱頂彈性下沉、拱圈溫度降低與混凝土收縮產生的下沉、墩頂水平位移產生的拱頂下沉、拱肋支架在荷載作用下的彈性和非彈性變形、支架基礎受載后的下沉。

⑥構件安裝時需設置攬風繩，攬風地錨需堅實穩固。

6.3 施工監控

拱肋安裝過程中必須重視監控工作，每一個工況都必須對內力線形進行監控，并根據監控結果指導施工。

7 結束語

鋼筋系桿拱橋拱肋分段預制，采用半剛性接頭安裝施工方法已經在東莊大橋得到成功應用，充分保證了施工進度和工程質量，此文中所寫的詳細施工方法為類似工程提供了借鑒和參考。

參考文獻：

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