內斜式超長大節段鋼拱就位施工方法

摘? ?要：依托官塘大橋鋼拱就位施工，建設者結合現場施工條件，創造了低位組裝、大節段吊裝的就位方法;本論文從鋼拱就位重難點、吊裝方案選擇與描述、作業要點及效果驗證等對超長大節段低位組裝、大節段吊裝就位方案等進行了論述，分析了內斜式超長大節段鋼拱吊裝就位施工方法的優點和缺點，為類似鋼拱就位提供了借鑒與參考;也為此方法改進明確了思路。

關鍵詞：內斜式? 超長? 大節段? ?吊裝? 方法

中圖分類號：U445.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0043-04

中鐵上海工程局集團有限公司承建的柳州市官塘大橋[1]為中承式有推力鋼箱拱橋，主跨462m，矢跨比1∶4.5，鋼拱軸線面與水平面夾角80°，拱軸線間距由53.5m內收至16.7m，內收36.8m，呈啞鈴形。跨航道鋼拱采用橋址低位組裝吊裝方案，施工方法主要指數有：鋼拱重達5885t，跨度262m，吊裝高度67.76m。該橋以蓮花隧道穿越三門江森林公園，橫跨珠江支流—柳江;森林公園植被豐富多為矮小灌木，山體為溶蝕灰巖，上覆黃粘土，地下水豐富。柳江常水位+77.4m，每天漲幅0.5m左右。

1? 鋼拱就位重點與難點

（1）跨航道的鋼拱凈矢高30.82m，凈跨262m，重量5885t;節段超重、重心高且穩定性差，持續吊裝高度高;大噸位鋼箱鋼拱節段的吊裝施工是本工程難點及重點。

（2）中拱段大節段軸線面與鉛垂線夾角為10°，向橋梁中線偏斜，軸線由28.28m內縮為16.7m，內收11.58m，呈啞鈴形;結構造型特點增加了鋼肋安裝難度較大、精度控制難度高;尤其是逐節段安裝更是難上加難。

（3）吊裝支架、吊裝門式架高度高，屬柔性結構，穩定安全儲備不足，施工風險高。

（4）影響因素多且復雜，無經驗和規律可循。柳江每年4～8月為洪水期，周期長;洪峰時間長且流量大、水位落差，流速達2.5m/s;鋼拱橋位矮支架組裝和拼裝跨越1個洪水期。

（5）節段在橋位組裝和吊裝期間，橋下Ⅲ級航道需正常通行。

2? 鋼拱就位方案概述

目前國內外鋼拱橋安裝方法有：支架法、纜索吊裝法、轉體法、懸臂拼裝法、拱上吊機拼裝法、鋼拱中拱段吊裝法等。支架法適用于橋下地形、地基等條件較好的鋼拱架設，占地少;纜索吊裝法適用于山區深谷的地形，水平和垂直移動靈活，占地多等。官塘大橋橫跨柳江，上跨Ⅲ級航道，穿越喀斯特地質的森林公園，因此鋼拱安裝因地制宜制定了拱腳段低位拼裝+中拱段超長大節段鋼拱吊裝的安裝方案。中鋼拱超長大節段吊裝法具體描述如下：

（1）中拱段超長大節段跨徑距離262m，與低位拼裝好的鋼拱間設置4.6m長的合龍段;中拱段鋼拱、內撐及輔助吊裝設備總重量約5885t。在橋位下少支架組裝成，安裝調整水平約束索后，采用門式吊裝支架吊裝67.76m至設計橋位處。

（2）在合攏段兩側已就位節段上設置導向槽鋼等措施，確保合攏段快速入位;吊裝合龍段吊入導向措施，節段在導向槽鋼導向作用下滑移就位，實現合龍。

（3）柔性超高吊裝門架高99.78m，其中水下部分采用鉆孔樁基礎，基礎具體如下：8根φ1.52m鋼管混凝土樁+鋼筋混凝土承臺;水上部分采用φ1.52m鋼管作為主受力桿件，平聯和剪刀撐采用φ1.2m鋼管桁架;支墩鋼管頂縱向設置工字鋼分配梁，橫橋向設置特制鋼箱梁將上下游4個門架支墩連接成一體，在特制橫梁吊裝孔中心的鉛垂線上設置吊裝系統。

（4）吊裝系統采用往復式液壓遠程操控系統，單個支墩頂的設備配置主要有8臺550t往復式液壓頂升千斤頂及其液壓系統、數據采集系統、吊裝連接鋼絞線及其錨固系統等。

超高門架吊裝系統各結構布置見圖1所示。

3? 超長大節段鋼拱吊裝

3.1 吊裝流程圖

吊裝工藝流程圖見圖2。

3.2 吊裝步驟與作業要點

（1）施工準備。

①與設計、監理及專家組共同研討“超長大節段鋼拱就位方法”中鋼拱節段的重新劃分、板單元細化、吊裝部位加強等。

②自行設計一套完整的鋼拱安裝臨時支架系統，并結合施工因素編制實施性施工組織設計及鋼拱就位專項施工方案;用midas Civil和 ANSYS軟件模擬各工況，對就位工況進行縝密分析驗算，審查鋼拱、支架以及各構件的應力、強度、剛度和穩定性能等，形成檢算審查成果資料經審批后作為過程監控依據。

③按施工步驟和工序編制詳細的施工甘特圖，下達支架水下部分和門架塔設及鋼拱低位組裝、吊裝等施工階段節點。

④按超長大節段鋼拱造型用同質材料制作1∶10比例縮小模型進行吊裝應力與應變試驗，使用頻率法進行應力測試，反算得相應的應變，分析大節段吊裝點復雜應力程序和分布狀況及規律，驗證超長大節段吊裝的合理性，為施工提供理論參考依據。

⑤準備工作主要有：提前到航道局和海事等部門辦理水上作業施工和短暫封航許可證，收集近幾年洪水情況及周邊流域的水文情況，并繪制和分析預判施工期間洪水概率與標準。全面核查實浮吊進場路線和水壩電站等能否浮吊通過;在東岸邊設置構件制作和預拼場。

⑥在橋位上游78m處設置鋼拱翻身和裝船轉運的龍門吊提升裝置。

（2）柔性超高門架及矮位支架搭設。

在鋼拱橋位處上下游對應位置搭設超長大節段異型定位支撐鋼管支架系統，其結構形式根據通航要求和行洪條件定型設計;支架搭設采用預制、裝配工藝，即在岸邊構件加工場按桿件下料，預拼裝焊接后再按倒序法拆為大構件，浮吊將大構件吊裝至支墩處安裝對位。

（3）柔性超高門式吊裝支架系統。

柔性超高門式吊裝支架分別設置在大節段的拱腳附近，高度為99.78m，寬5.9m，由五個部分組成。第一部分為深水鋼管混凝土樁基承臺;第二部分為超高吊裝門架支架系統，采用預制+裝配工藝施工;第三部分支架立柱頂部吊裝鋼箱梁，按照吊裝能力分段設計，在工廠分段制作，現場組拼;第四部分為吊裝系統，包含吊裝胎座、LSD千斤頂群和控制系統，胎座根據鋼拱底部形狀特殊設置，LSD吊裝控制系統通過物聯網技術接入指揮中心，指揮中心通過計算機發送指令控制液壓泵站，實現指令集中和統一;第五部分為支架纜風系統，纜風系統由風纜和地錨組成，連接支架頂部和東西地錨，對稱交叉張拉。

（4）吊裝底座設計與施工。

吊裝底座根據鋼拱底面構造設計，位于吊裝點的鋼拱下方，共4個。吊裝底座由底板、橫板、縱板、隔板及錨固端箱梁組成;底板安裝時確保吊裝裝置底板標高一致，與鋼拱接觸處焊縫滿焊;順橋向水平約束索張拉孔單側9個，單個豎向吊裝孔4個，4個吊裝孔中心點與門架頂特制橫梁吊裝孔中心點處于同一豎向Z軸上;吊裝底座在廠內加工后現場浮吊安裝。

（5）超長大節段組裝與內力控制。

中拱段凈跨為262m，由26個小節段和6道橫撐組成，采用兩臺浮吊分節段抬吊組焊而成;形成超長大節段后安裝水平約束索和豎向吊裝索。通過分級、同步張拉工序，使水平約束索和豎向束應力匹配，實現超長大節段自重轉換至豎向吊裝索，利用超高門式支架+LSD連續同步吊裝+集成指揮系統將中拱段吊裝就位;吊裝就位中采用自主研發的“主拱吊裝檢測指揮系統”實時分析和反饋、吊裝參數修正，通過遠程控制實現指令操作。

（6）吊裝體系轉換。

中鋼拱超長大節段吊裝體系轉換包括水平約束索和豎向吊裝索安裝與預緊。主要步驟如下：

第一步：水平約束索和豎向吊裝索安裝與預緊。

①豎向吊裝索安裝：在支架頂部操作平臺上人工配合穿束機下料，通過千斤頂下穿至吊裝裝置的索孔內，安裝和固定承重錨板;頂部采用千斤頂K型夾片固定，防止滑脫傷人;豎向吊裝索共4×2×2束，東西岸各8束。

②水平約束索安裝：封閉中拱段下航道，用駁船、貨船等拼接成穿索平臺，人工配合穿梭機將鋼絞線按照編號逐一進行安裝;邊安裝邊預緊。

③水平約束索張拉千斤頂按照東西岸隔孔交錯布置，按東岸奇數、西岸偶數對稱布置。

④按先水平束再豎向索預緊進行自重轉換，先張拉4×2×2束水平約束索，每束35t;后張拉2×4×2束豎向吊裝索，每束索力值55t，總索力880t。

⑤實時監測支架、鋼拱應力與位移，重點監測吊裝支架頂X、Y偏移和承臺沉降情況。

第二步：超長大節段鋼拱支撐受力體系轉換。

水平索和豎向索鋼絞線張拉預緊后，即進入鋼拱支撐邊界條件轉換，即由焊接固定剛性支撐轉換豎向單向支撐;在拱腳懸空后拆除內側以外的所有限位構件，使鋼拱處于懸浮狀態。

第三步：橫豎匹配，分級、同步、對稱施加索力。

超長大節段受力體系轉換按8步進行（見表1），轉換過程中鋼拱與支撐間由拱腳向跨中逐步脫空;原則上進行至第8步前，鋼拱與支架基本脫空。待完全脫空后，靜停1h監測支架狀態。

第四步：超長大節段懸浮靜停期間，運用物聯網技術遠程收集門架支墩和吊裝系統各構件的應力與應變及線形;人工核實數據的準確性。為確保鋼拱安全，要求整個吊裝中鋼拱下緣須有壓應力;當不能滿足此要求時，利用水平索對中拱段線形調整，使其滿足設定條件。

各項數據采集后，指揮人員應用工程軟件分析其安全性，確定安全無誤，線形滿足計算值時由吊裝指揮長下達后續指令。

（7）超長大節段吊裝。

為確保安全，減少安全風險，應用LSDKC（C）-16控制系統對超長大節段鋼拱吊裝進行輔助，實現遠程操控;同時運用物聯網技術實現數據采集無人無線化，按設定頻率自動與中心計算機交換;吊裝中中心計算機自動對頂力、行程值偏差、多點匹配度、應力與應變及位移等進行自動采集、修正、補償，分析并判定其偏差規律，并繪制合理偏差包絡圖;同時按設定的條件自動推送預設定的繼續吊裝、數據查驗、停止吊裝等指令，經指揮長審核后下達操作指令并實時遠程控制。吊裝中指揮長及時根據數據進行對比修正，確保四點吊裝同步。

（8）合攏作業。

中拱超長大節段與低位組裝好的鋼拱共有4個合龍段，合龍段預留0.1m配切量，在超長大節段吊裝至設計橋位時，連續觀測收集橋位三天溫度數值，并繪制溫度變化曲線;按設計要求在最低溫度時進行合攏。為盡早消除鋼拱懸吊的不安全因素，合攏按盡快使分段的鋼拱形成完整拱肋受力體系為原則，即先用兩臺浮吊同時先合攏下游側鋼拱，再合攏上游側鋼拱;合攏定位后，立即組織三班作業人員24h對稱焊接和質量檢測，使各節段盡早成拱。

（9）成拱體系轉換。

超長大節段與邊拱的合龍段質量檢合格后即進行成拱體系轉換，采用邁達斯軟件以桿單元模擬水平和豎向索、邊拱段支架不同順序拆除的4種組合，掌握不同拆除順序下鋼拱線形、結構內力、變形、支架應力的變化與趨勢，減少鋼拱應力變化峰值，確定了最佳的拆除順序，即：第一步逐級解除水平約束索、第二步分步放松豎向吊索、第三步對稱拆除邊拱矮位支架。

4? 工藝效果驗證

262m長、5885t的超長超重鋼拱吊裝68.86m高并實現合攏，是橋梁建設者不斷創新和攻關的成果，是全體參建人員的汗水結晶;創造了多項世界紀錄。按照《城市橋梁工程施工與質量驗收規范》對鋼拱合攏后參數[2]進行檢驗，主要檢測項目和結果見表2、表3。

5? 工程實例

柳州市官塘大橋工程由柳州市中心區，穿越柳州之肺——三門江森林公園，上跨柳江，直達到柳東新區，行程縮短了1/3。主橋為有推力提籃式拱橋，長度462m，有效寬度39.5m;荷載為城—A級，雙向六車道;主橋孔跨布置見圖3。主拱計算跨徑為457m，凈跨徑為450m，凈矢高為100m，矢跨比為1∶4.5，拱內斜角為10°;拱軸線間距由53.5m內收至16.7m，內收36.8m，呈啞鈴形。工程造價約8.78億元。

柳州官塘大橋中鋼拱超長大節段于2018年2月13日開始低位拼裝，2018年5月17日鋼拱順利合龍;經對比較纜索吊裝方案縮短工期6個月，減少纜索吊措施工程占地約30畝，減少鋼材約810t，節省成本約2320萬元，解決了纜索方法塔架和側向錨碇用地等問題，最大限度保護了柳州之肺，具借鑒應用價值。官塘大橋建成后與三門江森林公園再次形成百里柳江的一新景點——柳江新月[3]。

6? 結語

拱橋是中國最古老的橋梁，他凝聚了中華民族的智慧，是見證戰勝自然困難的寫照;從跨度37.02m的趙州橋到2019年跨度575m的潯江大橋，橋跨每次增加都伴隨著科學技術的進步和材料性能的飛越。官塘大橋超長大節段鋼拱吊裝施工方法結合現場實際創造性地為橋梁建設者提供了一種鋼拱就位方法;此就位方法減少了因纜索系統彈性變形產生的次生應力，減少了節段安裝過程中線形調整工序，并且各工序可同步平行作業，值得學習借鑒與運用。

官塘大橋主橋鋼拱安裝中也反映出超長大節段鋼拱就位方法仍然存在一些不足，一是施工條件受限，不適用航運繁忙的大江大河;二是存在構件焊接作業量大，質量隱患多;三是鋼拱線形調整方法有限。

參考文獻

[1] 四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院.柳州市雙擁大橋兩階段施工圖設計文件[R].2009.

[2] CJJ2—2008，《城市橋梁工程施工與質量驗收規范》[S].

[3] 何奇欽，劉明友.橋梁創新在柳州[M].北京：人民交通出版社，2019.