跨高速公路系桿拱橋鋼管拱安裝施工技術分析

董海軍 ，丁振宇 （安徽路達公路工程有限責任公司，安徽 安慶 246001）

0 前言

近幾年來，隨著我國城鎮化以及交通事業的快速發展，橋梁工程建設也在逐步加大。鋼管混凝土系桿拱橋以其獨特的結構體系、美觀大方的造型，解決了拱橋高強度材料的應用和少支架施工的兩大難題，極大保證了橋下高速公路的凈空，被廣泛應用在橋梁工程建設中。但系桿拱橋施工涉及到橋下高速公路行車安全及自身安裝施工，現場掌控難度大[1]。本文通過上跨寧績高速公路寧虹路大橋1m～77m系桿拱橋工程實例，重點分析系桿拱橋鋼管拱安裝施工技術控制。

1 工程概況

寧虹路大橋上跨寧績高速公路，主橋為1m～77m鋼管混凝土系桿拱，拱軸線為二次拋物線，計算跨徑77m，跨中計算矢高15.4m，矢跨比1/5。計算拱軸線拋物線方程為：y=4fx(L-x)/L2。拱肋截面為啞鈴型，拱肋高度1.8m，拱肋由兩根外徑75cm，壁厚16mm鋼管構成，中間以綴板連接。拱肋鋼管材料采用Q345qC鋼，鋼管內灌注C40混凝土，拱肋上橫向設置4道風撐。系桿采用箱形截面，系桿高度1.8m，寬度1.2m。系桿和拱肋之間采用吊桿作為傳力結構，吊桿每5m設置一根，主橋系桿之間采用橫梁相連接，橫梁與橋面板后澆濕接縫連接。

1.1 安裝施工技術難點

①施工區域位于既有高速公路上方,必須保障高速公路通車運營，交通風險因素多，現場施工條件非常復雜；

②在系梁頂面搭設安裝支架，鋼管拱肋采用汽車吊安裝，最大吊裝節段構件重約12.9t，起吊高度約30m，對安裝工藝及安全控制要求高；

③鋼管拱肋節段采用全焊接結構，線形是保證鋼管混凝土系桿拱橋受力安全的先決條件,控制精度要求高。

2 安裝施工技術

2.1 總體方案

系桿采用支架現澆法施工，先梁后拱施工順序。鋼管拱肋、風撐委托有資質的專業鋼結構廠家制作，并進行組拼,然后分節運輸到施工現場，采用100t汽車吊吊至臨時支架上，通過頂部支墩上的千斤頂精確調整到位，再將各節段鋼管拱肋焊接成整體。

2.2 鋼管拱節段劃分

采用平板拖車運輸，考慮公路運輸條件，分段長度不應大于20m。鋼管拱劃分為5個節段，其水平投影長度分別是G-A1（A2） 節段為 10212mm、G-B1（B2）節段為 15900mm、G-C1（C2）節段為19200mm。分段上弦管、下弦管不得斷在同一斷面上，對接焊縫錯開1000mm。節段劃分如圖1所示。

2.3 總體安裝步驟

步驟一：臨時支架設計、組裝及安裝；

步驟二：依次吊裝G-A、G-B、B節段風撐、G-C節段、C節段風撐；

步驟三：拱肋對接焊縫焊接；

圖1 鋼管拱節段劃分示意圖

步驟四：對焊縫進行打磨，焊縫外觀檢測合格后進行無損檢測，全部焊縫檢測合格后對焊縫區域進行油漆補涂；

步驟五：拆除臨時支架。

2.4 吊裝設備

2.4.1 汽車吊選型

根據鋼管拱吊裝重量、運輸車輛及吊機站位條件、現場交通疏導要求，擬定采用徐工QY100K型（最大起重量100t）汽車吊吊裝，最大鋼管拱肋節段為G-C段，重量為12.9t，考慮1.2倍動載系數，計算重量為15.5t，吊裝高差約30m，作業半徑為7m，計算吊臂長需達到30.81m。根據《QY100K-I起重機全伸支腿穩定性能表》，100t汽車吊作業半徑為7m時，根據主臂定格長度，主臂長度可取36.9m＞30.81m，其額定起吊重量 30.4t＞15.5t，安全系數為 1.96，滿足要求[2]。吊車支腿支承在高速公路路面上進行作業，地基承載力滿足要求，汽車吊抗傾覆力驗算符合要求。

2.4.2 吊耳設置

每個鋼管拱肋節段上設置兩個臨時吊耳，按最大噸位12.9t計算，單個吊耳承受力6.45t，考慮不均勻受力，計算1.4倍的安全系數，單個吊耳承受力為9.03t。吊耳選用依據《中華人民共和國行業標準設備吊耳》（HG/T21574-94），選用10t～20t吊耳，耳板板厚d=20mm。臨時吊耳設在上弦管頂面正中位置，吊耳位置的鋼管內增加橫隔板加強，均設在該吊耳距兩端頭長度為該吊裝段長度的0.21處[3]。如圖2所示。

圖2 吊耳布置示意圖

2.4.3 鋼絲繩選用

選用Φ36mm鋼絲繩。把每個分段簡化為一剛體，因剛體吊點是對稱布置，鋼絲繩與水平夾角按60°考慮，對三種區間按照最重梁段重量計算受力分析如下。

拱肋最大重量按12.9t計算，考慮1.2倍的吊裝動載系數，按15.5t計算，選用Φ36mm鋼絲繩。根據平衡原理，在直角坐標系建立方程ΣFy=0，G=Ly=15.5t。

單根鋼絲繩 L拉 =Ly/sin60?！?.8/2=15.5/0.866×9.8/2=87.7kN(鋼絲繩拉力)。

根據鋼絲繩破斷拉力，Φ36mm纖維芯鋼絲繩，其公稱抗拉強度為1870MPa,根據《五金手冊》，其破斷拉力Fg=805kN。鋼絲繩安全系數K=Fg/F=805/87.7=9.2＞8，鋼絲繩滿足要求。

2.5 臨時支架

2.5.1 支架結構設計、組裝及安裝

支架采用綴條格構柱結構。主要材料為φ273×8mm鋼管，格構柱連接系采用10#槽鋼，分配梁采用H440×300H型鋼，支架連接采用焊接，以Z1支架為例，支架結構如圖3所示。

圖3 臨時支架結構示意圖

在系桿支架上搭設鋼管拱臨時支架。設置在拱肋拼裝接頭位置處，全橋設計Z1與Z2兩種規格共8個拱肋支架；支架格構柱腳加鋼板焊接加固，采用20mm纜風繩順橋向錨在系桿上并采取緊固措施，防止安裝時產生推力而導致支架傾覆，并控制好支架支撐梁高程及位置。如圖3所示。

2.5.2 支架頂部支墩

支架頂部分配梁上設置臨時支墩，拱肋安裝定位后，吊車松鉤前在拱肋兩側設置斜撐，斜撐采用10#工字鋼，斜撐主要是防止拱肋傾覆。臨時支墩結構如圖4所示。

圖4 臨時支墩構造示意圖

2.5.3 支架受力驗算

①模型說明及加載

采用Midas Civil 2012建模，各桿件采用空間梁單元模擬。采用材質為Q235鋼材,彈性模量E=2.06×105 MPa,容重r=78.5kN/m3,Q235鋼材容許正應力[σ]=170MPa。根據支架的支承條件，拱肋重量采用節點集中力模擬，立柱作為自重加載。吊裝時自重系數取1.1，吊裝動載系數取1.2。臨時支架在吊裝過程中承受最不利的工況時，每個節段吊裝時落在2個支架支墩上。

②支架系統有限元建模受力分析

強度驗算：經計算分析，本支架在此受力工況下支架系統最大應力為22MPa＜170MPa，支架強度滿足要求。

剛度驗算：考慮吊裝過程中豎向荷載組合，支架最大變形位于分配梁中間，最大豎向變形為1.1mm。支架分配梁撓度容許值νr=2000/400mm=5mm（2000為分配梁兩支點最大跨度），支架剛度滿足要求。

穩定性驗算：通過軟件計算分析支架系統最大支點反力為127kN，綴條格構柱橫撐最大間距為200cm。

φ273×8mm鋼管的回轉半徑為9.373cm，鋼管立柱長細比：

根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2017），得鋼管柱的穩定性系數φt=0.979，鋼管柱最大壓應力

19.5MPa＜170MPa，滿足穩定性安全要求[4]。（上式中：Nt表示壓桿支點反力,單位：N；At為壓桿受力面積單位:mm2）

2.6 鋼管拱安裝技術

2.6.1 吊裝

拱肋節段運輸至橋位進行吊裝，遵循先兩端后中間的對稱原則。拱肋吊裝順序：A1節段→A2節段→B2節段→B1節段→B節段風撐→C1節段→C2節段→C節段風撐。根據施工現場實際環境，各節段拱肋吊裝時汽車吊的站位如圖5所示。

①拱腳預埋段

首先安裝拱腳預埋段A1與A2四片拱肋。在進行拱腳線性定位時，從系梁底模板外側現澆支架上搭設拱肋安裝定位支架，然后吊裝拱腳預埋段拱肋，精確測量起拱線高程、拱腳處傾角、兩拱肋間距和跨間距、吊桿位置、拱軸線坐標并精確定位。將拱腳與系梁混凝土一起同步澆筑完成。

②中間節段

系梁混凝土達到設計強度并張拉第一批預應力鋼束完畢后，進行搭設鋼管拱肋中間節段安裝臨時支架。拱肋根據制作、運輸、安裝綜合考慮，包含拱腳預埋段A1和A2節段，單側全橋拱肋共分成五個節段。鋼管拱肋吊裝前，先在支架分配梁上精確測量定位出拱肋軸線和鋼管邊線，在鋼管邊線上布置橫向限位措施，限位措施采用型鋼布置。拱肋高程通過分配梁上布置千斤頂進行調整，水平方向偏位可通過在分配梁臨時固定手拉葫蘆進行調整。拱肋吊裝分段對接定位合格后，通過碼板臨時連接鋼管對接環口，碼板規格16×150×400，碼板在焊縫處開設R50的過焊孔，確保焊接時焊縫連續。碼板與拱肋鋼管采用雙面10mm焊腳，對接焊縫焊接完成后拆除碼板。綴板現場嵌補段在鋼管對接焊縫焊接完畢，檢測合格后再安裝。拱肋安裝調整如圖6所示。

圖6 拱肋安裝調整示意圖

③節段風撐

采用2臺卷揚機安裝，對位后精調、焊接固定。卷揚機支點設置在待安裝風撐的拱肋頂部。

④合攏段

根據對稱安裝的原則，合攏段是鋼管拱肋形成的關鍵，是結構體系轉換的工序，起到調整全拱各單元體焊接收縮、熱膨脹、線型等重要作用。首先對環境溫度進行連續測量，取得至少48h的數據，確定合攏的最佳時間。同時測量合攏段C1和C2節段間距并切割下料，一次切出坡口打磨合格。考慮合攏的對稱性，兩條拱肋必須連續完成，并及時安裝C節段風撐，以免溫度變化時造成單側拱肋偏移。在兩側拱肋及跨間距、吊桿位置、拱軸線坐標符合設計要求的條件下，焊接全橋鋼管拱段[5]。

2.6.2 鋼管拱焊接

鋼管拱焊接由鋼管拱制作廠家派專業焊工來現場進行焊接作業。分臨時定位焊接和永久性焊接，焊接環縫要求全熔透，采用單面焊，雙面成形工藝。拱肋節段精確定位后，按要求進行環縫馬平，馬平時宜先馬平箱口剛性較大的邊側拐角部位，然后固定其余部位，采用定位板和火焰矯正相結合的方法進行局部調整。焊接前需用砂輪清除表面的鐵銹，清除范圍為焊縫兩側各50mm，并且除銹后24h內須焊接完畢。焊縫需進行外觀檢驗、超聲波及射線探傷，并按相關規范檢測合格。

3 線性控制

鋼管拱安裝的線型控制分兩個階段，第一階段為廠內制造加工，應先確認拱軸線形及預拱度，精確放樣后進行鋼管加工，通過鋼管接長地樣線控制拱肋制造線形，控制好鋼管焊接變形對線形的影響。

第二階段為現場安裝。委托有資質的監控單位對拱肋安裝進行施工監控，將應變傳感器布設到拱肋測點部位，再根據監測參數進行相應調整。施工時提前將里程和高程通過預先在支墩上設的控制點和線與拱肋上設置的點和線相對應來控制，同時用測量儀器同步進行監控，以保證拱肋線型的流暢。

4 安全防護

鋼管拱安裝時間較長，不可能全部封閉運營狀態的高速公路，結合現場實地測量放樣，2#主墩承臺外邊緣離高速公路左側路肩最近為16.6m，3#主墩承臺外邊緣距離高速公路右側路肩最近為11.3m。在寧績高速公路上搭建承重門洞式、防護棚支架的方案進行交通安全防護。進行拱肋節段高空吊裝作業時，寧績高速公路半幅封道，單側封閉，另外一側改為雙向車道。現場施工時按要求布置交通警示標志，提前預警。

5 結語

綜合考慮拱肋運輸的條件，安裝場地等限制，需對鋼管拱進行合理劃分節段。

重視拱肋安裝臨時支架結構設計，對其平面布置、頂部標高、節點聯系及穩定性做全面檢查，合格后方可進行下道工序。

鋼管拱焊接由鋼管拱制作廠家派專業焊工來現場進行焊接作業，有利于保證焊接質量。

面對錯綜復雜的施工外部環境，為了充分保證施工的進度與安全以及工程建設的質量，吊裝設備型號和起吊位置的選擇都相當重要。