四線鐵路鋼桁拱合龍施工關鍵控制技術研究

賀常松

（中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 063000）

1 工程概況及施工重難點

1.1 工程概況

大瑞鐵路怒江四線特大橋位于云南省保山市施甸縣與龍陵縣交界處，跨越怒江河谷。受地形影響，全橋孔跨布置為（7×41）m連續鋼混結合梁＋（14×37.2）m連續鋼箱梁＋（5×41）m連續鋼混結合梁，橋梁全長1 024.2m。主橋為跨度490 m的上承式提籃鋼桁拱結構，四片桁設計。四片桁拱每兩片組成一肋，每肋的兩片桁間距3.4 m，通過橫桿連接成整體（見圖1）。

1.2 合龍段概況

主橋鋼桁拱合龍口位于主拱圈中央豎桿靠瑞麗側節間，即小里程20＃節點與大里程19′＃節點之間（見圖2）。合龍段由8根主弦桿、4根斜腹桿、2根上平聯斜桿以及2根下平聯組成，總重224.8 t。

圖1 怒江特大橋立面（單位：cm）

圖2 合龍段空間結構

1.3 合龍段施工重難點分析

（1）四片主桁結構、合龍點多

合龍段由16根桿件組成，相互獨立，無法組合成整體合龍段進行整體吊裝，故需采取單桿件吊裝方式合龍，合龍點多。

（2）桿件結構尺寸大、空間結構復雜

合龍段桿件尺寸大，安裝難度大；主拱圈為提籃拱，合龍段桿件姿態也存在不同的角度，合龍對位困難。

（3）合龍精度要求高

合龍段為高強螺栓連接，栓接孔數多，合龍精度要求高。

（4）鋼桁拱懸臂長度長、施工安全風險高

合龍前，拱圈處于最大懸臂狀態，受力體系最為復雜，安全風險高。

（5）拱圈剛度大且為單跨無鉸拱

拱腳固結，無法移動，合龍口位移調整手段受限。

（6）合龍點影響因素多

受溫度、索力偏差及安裝偏差、鋼結構實際剛度系數等影響，調整時豎向、縱向位移相互影響，合龍時難以掌握［1］。

2 總體施工方案及流程

2.1 合龍原理

根據設計要求，鋼桁拱應無應力合龍，即構件按照設計體系溫度在工廠加工制造，現場懸臂拼裝到跨中后，按幾何法合龍［2］。合龍時鋼桁拱處于最大懸臂狀態，大理岸A20和E20安裝完成，瑞麗岸A19′和 E19′安裝完成并完成相應扣錨索的施工［3］。

2.2 合龍條件分析

本工程拱腳為固結構造，拱肋在安裝過程中通過扣錨索調整至控制坐標。鋼桁拱合龍口位置坐標調整也僅靠扣錨索調整。由于鋼桁拱跨度大，線形受溫度影響大，即鋼桁拱在合龍鎖定前，其合龍口尺寸隨著溫度的變化一直處于變化狀態。為保證無應力狀態合龍，需對合龍口進行臨時鎖定［4］，實現鋼桁拱無應力合龍［5］，即在掌握合龍口隨溫度變化規律的前提下，采取必要的強制措施。

2.3 總體施工方案

在合龍施工前的兩個節段吊裝過程中對拱圈懸臂段進行連續的線形、應力、溫度監測，確定最佳合龍狀態、溫度及時間［6］。懸臂節段吊裝完成并完成相應的扣錨索張拉后，根據合龍狀態及監測數據在加工廠內配制桿件。桿件采用纜索吊扁擔梁抬吊，先將合龍段上側桿件放置于扣塔頂作為中轉平臺，再進行吊裝合龍。

合龍段吊裝順序為“先腹桿、后上弦、再下弦”。合龍段桿件吊裝到位后先將桿件單端進行固定，待最佳合龍時間，利用弦桿另一端的銷軸臨時合龍，最后統一進行高強螺栓替換，完成合龍。合龍后拆除扣錨索，完成體系轉換（見圖3）。

圖3 合龍前縱斷面

2.4 合龍段施工流程

合龍段施工流程見圖4。

圖4 合龍施工流程

3 合龍主要施工工藝控制

3.1 溫度、線形觀測，確定合龍數據

合龍前對兩岸的主要桿件應力、扣塔應力、扣索索力、懸臂端位移進行連續觀測。對鋼桁拱合龍前的狀態和溫度變化及對合龍口的影響等參數做全面掌握，并與理論分析值進行對比分析［7-8］，進一步完善合龍口調整措施和精度控制指標。

本橋鋼桁拱合龍時間處于2018年11月底至12月初。對2017年相對于合龍日期前后一個月溫度數據進行統計分析，用于推測合龍最佳時間段的參考。

在A18/E19＃節間12＃扣索張拉完成后連續一周進行溫度觀測，整理溫度觀測結果，確定穩定溫度條件下的最佳合龍時間段和最佳合龍溫度。

在合龍段吊裝前，應持續觀察晝夜溫差變化過程中的拱肋高程和里程的線形變化規律，以便在合龍過程中采取相應措施。

當日間溫度升高時，將產生較大的溫度內力。溫度升高10℃時，合龍段上弦桿受拉，溫度引起的軸力約為200 kN；合龍段下弦桿受壓，溫度引起的軸力約為300 kN。

由溫度、測量數據確定1時至7時為溫度相對恒定時間段且拱圈線形最為穩定，在此時段進行鋼桁拱合龍最接近設計線形。擬定合龍段長度數據反饋給線形監控單位，最終確定合龍口桿件加工長度。

3.2 調整主拱圈線形

計算小里程 A19＃節間處13＃扣索和大里程A19′處13＃扣索的張拉控制力并進行張拉，以便達到合龍溫度時合龍口尺寸滿足或接近設計值；根據監控指令值張拉完成小里程A20/E20＃節間處第14組扣索［9］；張拉完成后，再次連續兩個晚上在合龍溫度時對合龍口的空隙尺寸采用經標定的鋼尺進行多次復測，并與設計值進行比較。若誤差較大，進行修正并對小里程14＃扣錨索和大里程13＃扣索再次張拉；若誤差較小可通過對拉、銷栓輔助措施微調以達合龍要求。

3.2.1 弦桿高程調整

上下弦桿的高程通過調整扣索索力達到線形控制標高，確保栓孔上下錯位不大于15mm（可打入錐形沖釘），利用溫度變化合龍上弦后，再調整上弦高程。

3.2.2 軸線調整

主桁拱安裝過程中各階段軸線均控制在可控范圍內。合龍前3個懸臂節段節間每安裝1個節間進行一次兩岸聯測，合龍段安裝時將兩岸主桁使用手拉葫蘆斜向對拉來調整軸線。

3.2.3 縱向調整

由于合龍口尺寸隨溫度不斷變化，上弦縱向偏差利用合龍口臨時鎖定裝置（頂拉千斤頂）調整，確保合龍段無應力合龍。

3.3 合龍段桿件加工

根據設計要求，合龍段桿件均為廠內加工，部分螺栓孔需根據合龍口多次測量后在現場進行鉆孔。

合龍段桿件及拼接板到達現場后，根據方案要求對合龍口進行測量后，即可進行現場鉆孔。因眼孔總數較多，為確保桿件及拼接板鉆孔工作不影響合龍段施工，現場需做好以下準備工作：

（1）場內需根據桿件數量保證有足夠的磁力鉆機，并確保鉆孔進度。

（2）保證現場專業劃線、放樣鉆孔人員的配備，確保鉆孔工作準確、高效進行。

（3）現場需根據不同節點類型，準備足夠的鉆孔樣板確保鉆孔精度。

3.4 合龍段桿件安裝

由于鋼桁拱合龍桿件數量較多，且施工空間相對狹小，桿件施工順序也直接影響著合龍的效果。利用BIM技術對鋼桁拱合龍段施工進行模擬［10］，通過建造可視化表達，準確估算所需要的各種資源，評估施工方案的可操作性、協調性、安全性是否合理。通過BIM技術對三種不同安裝順序（即先上弦后下弦、先下弦后上弦和先斜桿、后上弦、再下弦）進行模擬，找出合理的吊裝順序并規避碰撞問題（見圖5）。最終確定先斜桿、后上弦、再下弦施工順序。

圖5 BIM技術模擬合龍段吊裝

3.4.1 安裝步驟

第一步：吊裝主桁段內外側斜腹桿，與E20節點連接端使用沖釘和安裝螺栓進行定位；與A19′節點連接端不進行固定，保持自由狀態。

第二步：吊裝內側上弦桿。上弦桿從臨時存放平臺起吊，將上弦與A20節點連接一端使用沖釘和安裝螺栓進行定位；與A19′節點連接端不進行固定，保持自由狀態。

第三步：吊裝合龍段上平聯。上平聯從臨時存放平臺起吊，與A20節點連接端使用沖釘和安裝螺栓進行定位；與A19′節點連接端不進行固定，保持自由狀態。

第四步：吊裝外側上弦桿。上弦桿從臨時存放平臺起吊，將上弦與A20節點連接一端使用沖釘和安裝螺栓進行定位；與A19′節點連接端不進行固定，保持自由狀態。

第五步：吊裝下平聯。下平聯從地面平臺起吊，與E20節點連接端使用沖釘和安裝螺栓進行定位；與E19′節點連接端不進行固定，保持自由狀態。

第六步：吊裝內側下弦桿。下弦桿從地面平臺起吊，將下弦與E20節點連接一端使用沖釘和安裝螺栓進行定位；與E19′節點連接端不進行固定，保持自由狀態。

第七步：按照前期測量結果及確定的合龍溫度，首先對內側上下弦桿利用圓孔銷栓實現合龍，然后對外側上下弦桿實現合龍，并完成高強螺栓施擰工作。

第八步：對斜腹桿與A19′節點連接端進行固定，完成斜腹桿兩端高強螺栓的施擰工作。

第九步：對合龍節間上下平聯斜撐 A19′、E19′進行連接固定，并完成高強螺栓施擰工作。

3.4.2 合龍口調整措施

由于合龍段每根弦桿每個接頭的螺栓約600枚，在短時間內完成內側4根弦桿的合龍難度很大，因此考慮合龍時可采用對頂或對拉裝置調整合龍口相對偏差［11］。

（1）頂拉裝置設計

對拉或對頂裝置安裝在合龍段弦桿前端，采用反力座配合千斤頂使用。反力座一端布置在合龍段螺栓孔上，另一個反力座布置在小里程側E20/A20桿件螺栓孔上。兩個反力座之間采用千斤頂作為頂動力，精軋螺紋鋼作為拉動力，具體布置見圖6。擬采用桿件現有的螺栓孔固定反力座，反力座采用厚30 mm的Q345鋼板現場加工。

圖6 反力座示意

（2）頂拉措施計算分析

根據線控數據模型，對頂（拉）受力如圖7所示。當4根弦桿的對頂（拉）力為100 kN時，合龍口里程方向變化為12 mm。根據現場資源配置，頂拉措施按照500 kN布置。

圖7 頂（拉）受力簡圖

（3）頂拉措施操作工藝

上弦所用頂拉設備提前吊運至鋼桁拱桿件A20拱上立柱處備用；下弦桿頂拉裝置提前吊裝至E20豎腹桿位置存放備用。在合龍段桿件吊裝完成后安裝反力座，采用電動扳手施擰高強螺栓。按照頂拉裝置布置圖依次安裝好千斤頂、精軋螺紋鋼；接好油泵等裝置，且備用2套油管。待測量數據反饋，如合龍存在偏差，及時利用頂拉裝置調整。

3.5 合龍施工

鋼桁拱合龍時間為2018年12月10日，外界環境溫度20℃。由于本橋梁采用多扣索斜拉扣掛體系（每節段進行扣索調整），安裝時實現了斜拉扣掛索力一次全過程調索成形，兩岸縱橫向、軸向及高程均滿足合龍條件，實現了鋼桁拱的無應力合龍。

合龍注意事項［12］：

（1）合龍期間應詳細記錄溫度及日照對合龍節點處的實際偏移值、合龍點坐標值及兩側合龍點距離的影響，并對斜拉索作測試，作為合龍時調整的依據。此工作是采集與確定合龍段數據的關鍵所在。

（2）合龍段鋼桁拱安裝前及時測量上下弦鋼桁拱中線偏差、各合龍口相對高差及節間距離（上、下弦均應測量），確保桿件順利安裝。

4 結束語

大瑞鐵路怒江四線特大橋鋼桁拱在無應力狀態下合龍，通過BIM模擬技術確定合龍順序為“先斜桿、后上弦、再下弦”并解決了碰撞問題。合龍過程中，調整主拱圈及合龍口線形主要通過“調整扣錨索索力”及“對拉或對頂裝置”兩種方式完成。工程實踐證明，此兩種方法的配合可以將合龍口線形控制在±3 mm之內，滿足相關規范要求。本文介紹的施工控制工藝可為以后同類型的大橋合龍施工提供借鑒。