大跨鋼管拱原位拼裝施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

盛圣勝（中鐵十四局集團第一工程發(fā)展有限公司，廣東 東莞 523000）

1 工程概況

穗莞深城際軌道設(shè)計時速140km/h，橫涌海特大橋主橋跨越橫涌海水道（Ⅳ級航道），設(shè)計為（90+180+90）m連續(xù)梁拱橋，主橋上部為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)，鋼管拱設(shè)計矢高f=36.0m，矢跨比f/L=1/5，拱肋采用等高度啞鈴形截面，截面高度3.1m。橋梁施工工序采用先梁后拱施工方法[1]。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，全年雨水充沛，主要集中于4-9月，年平均降水量為1802mm；夏季（7-9月）常受海洋氣候影響出現(xiàn)臺風(fēng)襲擾，近50年最大風(fēng)力達11級。因此，雨季、臺風(fēng)季對大跨度、高精度拼裝施工方案的制定及順利實施有很大影響，也是難點問題。

2 施工方案研究比選

圖1 橫涌海連續(xù)梁鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工示意圖

2.1 臥拼豎轉(zhuǎn)施工鋼管拱

臥拼豎轉(zhuǎn)施工工藝是指先在合攏的連續(xù)梁上搭設(shè)鋼管拱胎架，在連續(xù)梁主墩0#塊拱腳位置搭建豎轉(zhuǎn)塔架，再進行鋼管拱臥拼焊接，各項工作準(zhǔn)備就緒后利用豎轉(zhuǎn)塔架和連續(xù)千斤頂（計算機）設(shè)備對大小里程兩個半拱進行豎轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)體到位后再吊裝鋼管拱合攏段，焊接合攏[1]。安裝工藝如圖1所示。

2.2 原位拼裝施工鋼管拱

鋼管拱原位拼裝施工工藝是指在合攏的連續(xù)梁上直接搭設(shè)鋼管拱支架，拱座混凝土施工時直接預(yù)埋鋼管拱預(yù)留件，然后從大小里程拱座位置分段逐步往中跨進行鋼管拱拱肋原位拼裝（大噸位吊車橋面吊裝），拼裝過程中及時進行橫聯(lián)焊接，直至跨中鋼管合攏段焊接拼裝到位，經(jīng)線型調(diào)整核實及各項檢測合格以后立即拆除鋼管拱肋支架，進入下一步施工工序[2]。

拱肋安裝工藝如圖2所示

圖2 橫涌海連續(xù)梁鋼管拱原位拼裝施工示意圖

2.3 施工工藝比選

從表1施工工藝對比可看出，在施工條件允許的情況下，鋼管拱原位拼裝總體優(yōu)于臥拼方案，有利于保質(zhì)保量，縮短工期。

表1 橫涌海連續(xù)梁鋼管拱施工工藝比選表

3 鋼管拱原位拼裝施工工藝

3.1 拱座施工

先進行拱座鋼筋、預(yù)應(yīng)力、混凝土施工。在拱座混凝土澆筑前需要進行初始段鋼管拱預(yù)埋，施工重點為預(yù)埋件定位和起始線形控制[3]。

3.2 拱肋支架的制作及安裝

根據(jù)橋梁梁面施工條件和施工工期，選用制作簡單、安裝較快的制式鋼管支架作為鋼管拱原位拼裝臨時支架，在澆筑好的橋面上支架鋼管位置設(shè)有預(yù)埋鋼板[4]，支架采用4根直徑180mm壁厚8mm的鋼管柱，橫腹桿采用直徑76mm壁厚5mm的鋼管，斜腹桿采用直徑89mm壁厚5mm的鋼管，4根主鋼管和支撐鋼管組成格構(gòu)柱。支架底部固定在橋面預(yù)埋件上，頂部通過纜風(fēng)繩與支架底部進行加固，保證施工安全。

圖3 鋼管拱制式支架加工制作結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 拱肋支架的加工

拱肋支架在進行設(shè)計、計算、修改完善結(jié)構(gòu)形式后，選取專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家加工制作，鋼支架加工主要流程有流程：材料檢測→號料、下料→鋼管桿件組裝、焊接→格構(gòu)柱組裝、焊接→防腐涂裝[5]。

3.2.2 拱肋支架的安裝

拱肋支架經(jīng)預(yù)拼轉(zhuǎn)運至橋址，利用梁面吊車進行拱肋支架安裝施工，按節(jié)段從下往上吊裝，遇到支架橫聯(lián)、縱聯(lián)位置時及時連接，確保支架總體穩(wěn)定性，直到拱肋支架全部安裝完成后開始進行拱肋安裝平臺施工[6]。

3.3 鋼管拱肋的加工制作

3.3.1 鋼管拱加工技術(shù)控制重點

鋼管拱的加工制造關(guān)鍵在于幾何尺寸精度的控制和焊接質(zhì)量的控制。采用先進的加工設(shè)備、制造工藝和焊接方法，嚴格控制關(guān)鍵件的加工，嚴格控制焊接質(zhì)量和焊接變形是確保鋼管拱制造質(zhì)量的基礎(chǔ)，焊接質(zhì)量應(yīng)滿足《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]的要求。根據(jù)本橋的特點，以及類似鋼管拱的制造技術(shù)經(jīng)驗，并對國內(nèi)外同類型鋼管拱制造技術(shù)進行了全面的分析和研究，歸納以下幾項技術(shù)控制措施：

1）按構(gòu)件相似原理，將構(gòu)件分類，進行流水線分道作業(yè)，專業(yè)化生產(chǎn)以取得規(guī)模效應(yīng)。

2）運用數(shù)控等離子切割設(shè)備及遠紅外－液壓自動溫控彎管技術(shù)及胎架制作工藝，減少人為誤差，實現(xiàn)精密制造。

3）按構(gòu)件特征，在工廠內(nèi)按設(shè)計的吊裝節(jié)段加工制作并進行整拱預(yù)拼，然后解體成空間節(jié)段運至現(xiàn)場直接吊裝，減少工地空間對位及焊接工作量，充分利用工廠制作機械化程度高、精度好、工效高的優(yōu)點，減少工地施工量，以縮短施工總周期。

4）鋼管由單元組成，單元最后要拼成拱橋整體，這就決定了各種單元制造過程的高精度要求。從筒節(jié)加工精度、組裝對接精度，桿件相貫線切割精度，到工裝胎具制作精度，焊接變形控制精度等都必須嚴格加以保證[8]。

3.3.2 鋼管拱加工流程

鋼板材質(zhì)復(fù)檢→號料→切割→邊緣加工→卷管→焊接→超聲波檢測→矯圓→拼接（鋼管接長、焊接對接環(huán)焊縫）→超射波檢測及探傷→熱彎→組裝→焊接成桁架節(jié)段→超聲波檢測（必要時進行X射線拍片）→節(jié)段間試拚裝→節(jié)段間整裝→表面處理→涂裝→制作完成，待運。

圖4 鋼管拱拱肋原位拼裝工況模型

3.4 鋼管拱肋的現(xiàn)場安裝

3.4.1 鋼管拱拼裝總體方案

鋼管拱分段吊裝順序：從兩端對稱依編號順序吊裝節(jié)段，即第1節(jié)段→第11節(jié)段→第2節(jié)段→第10節(jié)段→第3節(jié)段→第9節(jié)段 →第4節(jié)段→第8節(jié)段→第5節(jié)段→第7節(jié)段→第6節(jié)段（合攏段），最后進行合攏段的架設(shè)施工。每一分段按照起吊→對位→臨時固定→調(diào)整線型→定位焊接→調(diào)整線型→正式焊接合攏的順序吊裝[9]。

180 m拱肋拼裝利用各主墩塔吊及橋面2臺100t汽車吊，輔助連續(xù)梁拱的吊運及拼裝。鋼管拱肋在工廠加工、預(yù)拼、檢測合格后，將分段拱肋運至工地重型棧橋碼頭，利用浮吊吊裝至橋面，通過橋面上的2臺100t吊車進行拱肋對位及拼裝。拱肋吊裝最不利的節(jié)段為第2、10節(jié)段，單重31.71t。

3.4.2 各段拱肋按既定順序依此安裝

1）第1節(jié)拱肋的安裝

準(zhǔn)備工作：在安裝平臺上預(yù)先焊接2根鋼管拱限位立柱及支撐橫梁。

管口對位：用2臺吊車吊起第一節(jié)段拱肋，拱肋上端緩緩放入安裝平臺限位立柱及支撐橫梁上，拱肋下端管口對準(zhǔn)拱座上的預(yù)埋管口，然后用手拉葫蘆將管口對正拉緊，最后用連接板及螺栓將管口兩端的耳板鎖定。

橫撐安裝：待左右拱肋安裝就位后，即可安裝第一節(jié)段拱肋的橫撐。

線型調(diào)整：因拱座預(yù)埋的鋼管拱已固定牢固，無需調(diào)整第一節(jié)拱肋下端的線性，只需使用全站儀、千斤頂、手拉葫蘆和焊機等工具將第一節(jié)拱肋上端的線性調(diào)整到設(shè)計值后固定即可，然后將拱肋與橫撐焊接牢固，防止拱肋線型變位。

接口焊接：首先焊接拱肋主管對接管口（一級焊縫熔透焊，需要對焊縫檢測），然后再將拱肋綴板焊接好。

2）后續(xù)拱肋吊裝段安裝

第N節(jié)段拱肋吊裝：起吊第N節(jié)拱肋，拱肋上端緩緩放入安裝平臺限位立柱及支撐橫梁上，拱肋下端管口對準(zhǔn)第（N-1）節(jié)拱肋上端管口，然后用手拉葫蘆將管口對正拉緊，最后用連接板及螺栓將管口兩端的耳板鎖定。其余各項步驟同上。

拱肋的拼裝過程，也是一個誤差累計的過程。因此在拼裝過程中，每就位一個節(jié)段，都要對照施工坐標(biāo)進行嚴格的檢查，不停的修正誤差，檢查項目和規(guī)定值或允許偏差見表2。

3.4.3 鋼管拱合攏段施工

合攏段及兩側(cè)拱肋出廠前在其周邊焊接8道臨時連接角鋼，角鋼與合攏段及兩側(cè)拱肋節(jié)段平齊，待合攏段吊裝就位后，合攏段與拱肋兩側(cè)的連接角鋼用4道臨時角鋼臨時焊接牢固。焊接完成后，均鏟除余高并打磨勻順。對接焊采用單面坡口雙面成形，坡口尺寸由焊接工藝評定確定。焊縫質(zhì)量要求達到《鐵路鋼橋制造規(guī)范》的I級標(biāo)準(zhǔn)[10]，并用超聲波探傷。襯墊采用80mm×10mm的鋼襯管，點焊定位。

合攏段的施工順序為：在一天當(dāng)中氣溫較低且平穩(wěn)的凌晨03：00～05：00時間內(nèi)臨時鎖定，精測合攏段長度后，再精密下料，最后實施焊接[11]。其工藝流程：精確測量合攏段兩側(cè)前端凈間距→根據(jù)測量數(shù)據(jù)對已加工的合攏段長度進行切割修正→提升就位→溫度平穩(wěn)時焊接臨時固結(jié)角鋼→焊接合攏段。

4 鋼管拱原位拼裝結(jié)構(gòu)受力檢算

本支架為臨時支撐格構(gòu)式管桁架，跨度11.5m～18m,柱高7.3～34m。按工程重要性分類，本支架安全等級為二級。桁架鋼管、立柱鋼管、各節(jié)點板、支座墊板均采用Q235B結(jié)構(gòu)鋼，支架各結(jié)構(gòu)鋼管型號上文已詳述。

4.1 鋼管拱支架計算荷載

本臨時支撐架設(shè)計荷載考慮結(jié)構(gòu)自重（主拱、支架）、活載、風(fēng)荷載。

1）風(fēng)荷載

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB10002-2017）風(fēng)荷載計算公式如下式所示

① 1.2×1.（0恒載）+ 1.4×1.（0活載）+1.4×0.（6風(fēng)載）

式中：K—風(fēng)荷載強度（kN/m2）；

W0[—基本風(fēng)壓（kN/m2），根據(jù)上述規(guī)范附錄D“全國基本風(fēng)壓分布圖”，東莞地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓取得0.55；

K1—風(fēng)載體形系數(shù)，按上述規(guī)范取值1.3；

K2—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按上述規(guī)范取值1.37；

K3—地形、地理條件系數(shù)，按上述規(guī)范取值1.0。

W=K1×K2×K3×W0

=1.3×1.37×1.0×0.55=0.98 kN/m2

2）活載按1.0kN/m2考慮。

3）荷載組合系數(shù).

為安全考慮，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）規(guī)定，計算結(jié)構(gòu)所考慮的組合最不利如下：

表2 鋼管拱拱肋吊裝檢查表

② 1.2×1.（0恒載）+ 1.4×0.（7活載）+1.4×1.（0風(fēng)載）

4.2 鋼管拱支架計算結(jié)果

根據(jù)施工方案所述施工工藝，鋼管拱肋支架受力可按安裝節(jié)段分為六種不同的施工工況，計算采用Midas civil軟件進行整體建立模型，支架柱、操作平臺和側(cè)向支撐桁架均采用梁單元模擬，根據(jù)不同工況加載上述荷載至相應(yīng)單元上。

根據(jù)軟件對鋼支架階段性受力分析可得，最不利受力部位為桁架的豎向立柱底、縱橫桁架與豎向桁架連接處桿件，在各工況下上述桿件的正應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示。

表3 桁架立柱底、縱橫桁架與豎向桁架連接部位正應(yīng)力統(tǒng)計表（單位：MPa）

根據(jù)以上鋼管支架強度計算可得桁架的的最大切應(yīng)力、最大組合應(yīng)力，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)支架強度計算結(jié)果表4可知，縱橫桁架與豎向桁架連接部位應(yīng)力較大，是薄弱點，根據(jù)表2、表3支架強度計算結(jié)果可知，支架的最大正應(yīng)力為σ＝113.0MPa，最大切應(yīng)力τ＝28.7MPa。支架采用Q235B材質(zhì)，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表3.4.1-1查Q235鋼的抗拉、抗壓、抗彎強度設(shè)計值f＝215MPa，抗剪強設(shè)計值fv＝ 125MPa， 則 σ ＝ 113.0MPa＜f＝ 215MPa，τ ＝28.7MPa＜fv＝125MPa，計算結(jié)果表明鋼管支架強度滿足規(guī)范要求。

表4 鋼管支架計算最大強度統(tǒng)計表

5 結(jié) 語

連續(xù)梁鋼管拱橋的建造越來越多，鋼管拱的施工方案受氣候、施工條件和設(shè)計參數(shù)等因素制約，筆者提出的原位拼裝方案具有過程受力明確、免鉸接體系轉(zhuǎn)換、較低成本與較短工期等優(yōu)勢，完全能夠滿足相關(guān)施工規(guī)范，可供類似工程借鑒采用。