BIM技術在拱肋異橋位拼裝頂拉就位施工中的應用

■ 謝建民 楊秉輝

0 引言

大跨度連續梁拱橋鋼管拱肋的施工方法較多，常用的有原位支架法、矮支架拼裝豎轉就位法、異橋位拼裝頂拉就位法。鄭萬鐵路河南段趙河鎮跨南水北調干渠特大橋工程原設計施工方案為矮支架拼裝豎轉就位法，但因為上跨南水北調干渠的環保問題及手續批復、工期等原因，施工方案變更為異橋位拼裝頂拉就位法（見圖1）。

該方案拱肋高空吊裝作業需要大型吊裝設備，在連續梁附近簡支梁橋面上進行拱肋拼裝，拱肋吊裝的費用較高。拱部頂拉施工技術難度較大，但可快速展開施工，可以和連續梁施工平行作業。實踐證明該方案可有效節約工期2個月，優越性顯著。

圖1 異橋位拼裝頂拉就位法示意圖

1 工程概況

鄭萬鐵路河南段趙河鎮跨南水北調干渠特大橋主橋采用（74+160+74）m預應力混凝土連續梁-鋼管混凝土拱組合結構，全長309．6 m。主墩北岸為430#，南岸為431#。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中至邊支點處最低點梁高4．0 m，中支點處梁高8．5 m，梁底按圓曲線變化。

主梁共分69個節段，邊孔梁段編號為K1'—K15'、K19'，中孔梁段編號為K1—K18，梁拱結合部0號段長為17．0 m，K18號中孔合龍段長3．0 m，K19'號邊孔直線段長5．3 m。

拱肋采用鋼管混凝土結構，計算跨徑160 m，設計矢高32 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線。拱肋采用啞鈴形截面，截面高度3 m，拱肋弦管直徑1 m，拱肋壁厚16 mm。

2 異橋位拼裝頂拉就位施工工藝

2.1 拱肋加工[1]

構件加工前，采用Revit 2016建立拱肋三維模型，直觀反映各構件的連接情況；采用Navisworks 2016進行碰撞檢查，核對構件及構件間相互連接的幾何尺寸和連接是否存在不當現象。經過模型核對，檢查出發生碰撞3處，優化2處，同時對圖紙工程量進行了修訂。

施工以單元件制作為基礎：鋼拱劃分為鋼管筒節、拱肋分段、橫撐單元、拱腳單元及下錨箱單元等。

施工組織管理以各單元件為中間產品，進行托盤管理，采用成組技術組織批量生產。按照定人員、定設備、定作業對象、定工藝方案、定場地的“五定原則”組織生產，形成單元件的物流網生產。

工程所有構件全部采用計算機放樣，非次要構件均采用數控編程下料，以保證構件精度，為現場拼裝及安裝創造條件。放樣前，放樣人員必須熟悉施工圖和工藝要求，如發現施工圖有遺漏或錯誤，以及其他原因需要變更施工圖時，必須取得原設計單位簽具的設計變更文件，不得擅自修改。放樣工作完成后，對放大樣和樣桿、樣板（或下料圖）進行自檢，無誤后報專職檢驗人員檢驗。

根據工程結構要求，構件切割應首先采用數控、等離子、自動或半自動氣割，以保證切割精度。鋼管采用數控相貫線切割機下料，以保證相貫線幾何尺寸的精度。管口的光潔度為確保焊接質量打下有力基礎。2 m節段拱肋及長節段拱肋制造示意分別見圖2和圖3。

2.2 拱節現場拼焊

拱肋運輸到施工現場后，進行精確放樣抄平。在專門制作的馬凳上，將運輸節段拼裝焊成吊裝節段。

2.3 場地布置

鄭萬鐵路河南段趙河鎮跨南水北調干渠特大橋位于直線上，平坡，較適合采用頂拉就位方案。現場場地布置見圖4。鋼管拱節段進場到位后，根據安裝對接位置，在433#—438#墩簡支梁范圍內（（74+160+74）m連續梁大里程側）設置鋼管拱安裝支架，在支架上安裝拱肋，采用2臺130 t輪胎式吊車在橋面上吊裝。

圖2 2 m節段拱肋制造示意圖

圖3 長節段拱肋制造示意圖

2.4 拼拱支架和支架基礎設計

在簡支梁側采用Φ920 mm（壁厚10 mm）螺旋鋼管搭設拼拱支架，每側拱肋下方共布置4組，每組支架之間縱橫向采用花架支撐連接成整體。搭設拼拱支架的同時，在梁面鋪設2組4條軌道，安裝頂拉輪箱組貝雷梁及臨時拱座。拼拱支架需經過驗收方可進入下道工序。

支架基礎根據每根鋼管立柱的豎向荷載和地基承載力進行專門設計。地基承載力按150 kPa考慮，支架基礎3、4、5、6長寬高為3．50 m×3．50 m×0．75 m，支架基礎1、2、7、8長寬高為1．6 m×1．6 m×0．8 m，均配置雙向鋼筋網片，C30混凝土頂面設置預埋鋼板。支架基礎同時考慮了雨季排水，以避免不均勻沉降[2]。

圖4 現場場地布置

2.5 臨時拱座設計

臨時拱座和鋼管拱間連接采用抱箍與鋼管拱焊接。承重抱箍和錨箱間采用精軋螺紋鋼連接，錨箱和橫向配梁（貝雷梁）間采用高強螺栓連接。臨時拱座三維模型及現場見圖5和圖6。

2.6 吊車上橋方式

工程采用130 t吊車在簡支梁梁面上吊裝拱肋。130 t吊車自質量100 t（含配重），大臂按40 t考慮，起吊荷載按照20 t計算。最不利支腿荷載=（100-40）/4+40/2+20/2=45 t，粗略計算接近于頂拉行走時的輪壓46 t。計算輪壓時，輪壓荷載在簡支梁上的分布寬度為1．4 m。所以，為確保安全，在吊車支腿下方設置縱橋向長2．0 m、寬0．5 m的墊腳板。墊腳板用14號工字鋼滿焊組拼。

圖5 臨時拱座三維模型

圖6 臨時拱座現場

2.7 頂拉過梁驗算

利用MIDAS軟件建立有限元模型，對頂拉過梁進行驗算。結果顯示，連續梁主梁縱向受力性能：考慮主梁自質量、預應力、混凝土徐變、頂拉拱架荷載、基礎不均勻沉降和溫度荷載作用下，主梁正截面抗彎承載力、正截面抗裂性能及斜截面抗裂性能均滿足規范要求，主梁混凝土最大壓應力和最大剪應力均滿足規范要求。主梁橫向受力性能：在考慮主梁自質量、預應力、混凝土徐變、頂拉拱架荷載、日照及寒潮荷載作用下，主梁正截面抗彎承載力、正截面拉應力及斜截面主拉應力均滿足規范要求，主梁混凝土最大壓應力和最大剪應力均滿足規范要求。連續梁計算模型見圖7。

簡支梁主梁正截面抗彎承載力、正截面抗裂性能及斜截面抗裂性能均滿足規范要求，主梁混凝土最大壓應力和最大剪應力均滿足規范要求。在頂拉拱架荷載作用下，翼緣板混凝土壓應力滿足要求，受拉鋼筋拉應力也小于HRB400的容許應力，結構抗彎承載力滿足規范要求。在頂拉拱架荷載作用下，翼緣板受拉區混凝土將開裂，裂縫寬度為0．12 mm，小于規范限值0．20 mm，翼緣板抗剪能力滿足規范要求。簡支梁計算模型見圖8。

圖7 連續梁計算模型

圖8 簡支梁計算模型

2.8 頂拉過拱座設計

在拱肋頂拉之前，澆筑部分拱腳。混凝土最高213 cm處，預埋拱腳露出混凝土面40 cm。在拱肋頂拉到位后，焊接嵌補段拱肋，然后二次澆筑拱腳。混凝土澆筑完畢，強度滿足要求后，張拉拱座部分的豎向精軋螺紋鋼。拱腳一、二次澆筑分界線處存在切斷鋼筋和精軋螺紋鋼的問題。接茬鋼筋的預留長度按規范施工，精軋螺紋鋼切斷后用連接器連接。431#拱腳澆筑立面示意見圖9。

2.9 頂拉工藝

2.9.1 頂拉前的準備

頂拉前，需要一邊拆除支架一邊對臨時拱腳施加拉力。裸拱產生水平分力，會產生位移，需要在臨時拱腳上施加一個拉力，抵抗水平分力。以單片拱肋為研究對象，建立鋼管拱模型，荷載施加重力包括拱肋及拱肋上附件、橫撐、縱向貝雷片，每個拱腳水平分力為1 685 kN，即需要至少1 685 kN的水平拉力才能保證拱腳在理想位置，確保拱腳位移不大于20 mm。在砂筒降低、托盤完全脫離拱肋后拆除支架，轉變為拱腳受力的裸拱體系。施工中存在多次體系轉換，拱肋受力會發生多次變化。根據支架拆除順序，本結構分為4級張拉。現場采用4束鋼絞線，每束含8根Φ15．24 mm鋼絞線，每根張拉力為105 kN，有足夠的安全儲備。操作中發現，第3級張拉時，拱腳一端縮小20 mm，另一端未動。在支架落架以后，拱腳又恢復到原來位置，印證了計算的正確性。

2.9.2 頂拉作業

2臺頂推千斤頂安裝在拱腳的前支點，在走行軌道上安裝夾軌器，由2個操作人員分別操作2臺夾軌器。同步控制系統操作人員經過廠家培訓合格后上崗，需要4個技術人員監測4個拱腳的行進速度。項目經理或總工程師擔任現場頂拉總指揮，負責綜合控制。所有監測人員遇到問題馬上匯報并暫停頂拉，處理后方可繼續。

圖9 431拱腳澆筑立面示意圖

頂拉作業時，全體人員在總指揮的協調下密切配合，技術人員根據提前在軌道上標注的標記檢驗鋼管拱的4個拱腳速度（在鋼軌上畫刻度線，間隔0．5 m，油缸上也要做好刻度標記）。當出現兩側輪箱行進不一致時，立即停止頂拉，檢查存在的問題。并利用千斤頂將慢的一側頂拉相應距離，保持兩側拱肋行進速度一致。

在確保拱腳同步的前提下，前支點的頂拉可以采取步履式進行：一臺千斤頂前進時，另一臺千斤頂做準備工作（收頂），2臺千斤頂交錯工作。達到連續前進的工作狀態時，每小時可以頂拉40 m左右。頂拉就位見圖10。

2.10 頂拉合龍精度控制

在鋼管拱異位拼裝過程中，在鋼管拱腳、1/4處吊桿孔以及拱頂矢高等特征點處設置觀測點，監控體系轉換前后鋼管拱的變形情況。鋼管拱在縱向頂拉就位后，由技術人員測量拱肋軸線、拱肋端部的高程是否存在偏差，根據測量的數值在Revit中建立拱肋三維模型（見圖11），在模型中可以直觀地觀察偏差的方向和數據，為嵌補段的加工生產提供精確依據。同時，也能指導合龍段精調。精調是在軌道上作出調整，將最后一段12．5 m的鋼軌揭起。根據測量結果，調整鋼軌下方支墊的薄鋼板厚度，重新調整鋼軌高程及橫向位置，再將拱肋頂拉至設計位置。

經過精調后，合龍位置的偏差見表1，其中偏差允許值依據GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術規范》。

圖10 頂拉就位

圖11 Revit中建立的拱肋三維模型

表1 合龍位置的偏差 mm

2.11 拱肋線形監控

工程中涉及支架拼裝、焊接、鋼絞線張拉、支架拆除、頂拉、位置調整等多道關鍵工序，存在多次體系轉換，拱肋受力會發生多次變化。因此需要對每一施工階段進行詳細分析和試驗驗證，并對拱肋應力加以控制。

通過對拱肋主要截面的應力監控，實時了解拉動時的實際應力狀態，使其在允許范圍內變化，避免發生工程事故。掌握橋梁施工過程中自質量、溫度以及由于安裝誤差和其他不定因素產生的結構內力，得出成橋狀態的實際受力狀態，評定結構受力的安全性。

3 施工注意事項

施工中，必須保證支架有足夠的剛度、強度和穩定性。該施工方案進行了拼拱支架的計算及拱肋頂拉時的動力特性計算，以及拱肋通過24．6 m簡支梁和32．6 m簡支梁時的安全計算，并對拱肋頂拉時的安全性進行了計算，結果均滿足要求。

4 結束語

經過實際工程對比，采用異橋位拼裝頂拉就位法和矮支架拼裝豎轉就位法費用相當。但采用異橋位拼裝頂拉就位法的方案可以和連續梁平行施工，可有效節約工期約2個月。特別是在南水北調主干渠上施工，對環保要求較高，更能發揮優勢，利用BIM技術可以更好地保證合龍精度。