鋼箱拱橋空間異形拱肋合龍施工技術研究與應用

楊佳林 房超珺 李 波

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092

目前國內橋梁設計越來越追求結構新穎、線形優美。拱橋施工目前主要采用下列幾種工藝：

1）拱上吊機、對稱懸臂拼裝工藝。

2）支架法，大型浮吊安裝就位施工工藝。

3）豎轉法施工工藝。

4）平豎結合轉體法施工工藝。

合龍段施工是整個鋼拱橋工程重要的關鍵節點，合龍時相鄰匹配面的精度控制至關重要，合龍后鋼拱橋整體能否做到嚴絲合縫也是重難點之一。同時還應考慮合龍的時間、合龍段工廠制作長度與現場實際長度的匹配、吊裝工況、臨時固定等方面的問題[1-5]。

1 工程概況

某市沿江公路運河通道工程主橋為雙孔異形下承式鋼拱橋（圖1），跨徑為252 m＋106 m，全長約1.8 km，本橋拱肋分為主拱和邊拱，在空間上呈現異形。橋梁跨徑達358 m，高度達到近70 m，屬于特大跨徑鋼結構拱橋，存在安裝高、跨度大的特點，拱軸線采用二次拋物線，設計矢跨比1∶4.75，橋型一側為單片拱，另一側為雙片拱。主拱由變高段和分叉段組成，邊拱與主拱在拱頂交會，邊拱與主拱之間設有橫撐。

圖1 運河二通道橋工程效果圖

該工程主橋箱梁安裝施工主要存在以下難點：

1）由于受運輸影響，原設計節段劃分無法滿足陸路運輸條件。

2）異形拱肋其吊點的設置，較為復雜。

3）異形拱肋節段安裝較為復雜，尤其是拱梁結合段（首節段）情況復雜，既需要與箱梁對位，又要保證其精度。同時，合龍段由于是三肢合龍，對拱肋安裝是個極大的考驗。

針對上述難點，我們通過對設計節段的再劃分，解決了拱肋節段的陸路運輸問題；通過建立三維模型，解決了吊點的設置問題；通過一系列施工手段，完成了復雜的異形拱肋吊裝。異形拱肋節段的安裝施工，是本工程安裝施工的一個難點、重點，下面作重點說明。

原設計意圖合龍節段為三肢合龍，橋梁高度高、節點安裝質量大、合龍時需要匹配的面過多，給施工帶來很大的難度。后與設計溝通，對合龍工藝進行了調整。調整后，本工程拱肋共設有2次合龍，第1次為主拱合龍，第2次為邊、主拱合龍，合龍位置均避開了拱頂交會段。

2 合龍前的準備

1）吊點的設置。為了保證橋位拱肋高空安裝順利及吊裝安全，拱肋采取偏心吊裝，即拱肋吊裝姿態為安裝姿態，此種吊裝姿態大大增加了吊裝困難。在吊裝前，所有異形拱肋吊裝節段全部用Auto CAD軟件建模，軟件自動導出節段重心。計算出重心后，根據重心位置，利用彎矩平衡原理算出吊點位置及鋼絲繩長度，布置吊裝吊耳。

2）吊裝前拱肋節段翻身。由于運輸的原因，拱肋節段在卸車時需要進行翻身操作。本工程采用了650 t履帶吊輔以50 t汽車吊的空中翻身方法，使拱肋完成90°翻轉，達到從運輸姿態向吊裝姿態的調整。具體方法為：首先履帶吊將節段吊至地面，采用2臺50 t汽車吊到達指定吊裝位置，同時完成履帶吊、汽車吊掛鉤工作；其次采用履帶吊、汽車吊緩慢提升，提升高度約7 m，停止提升，汽車吊緩慢降鉤，直至全部卸載，履帶吊承擔全部吊裝荷載；再次將汽車吊移位至節段內側并掛鉤，汽車吊提升，將節段翻身90°；最后將履帶吊、汽車吊緩慢降鉤，落至地面，完成后序吊裝狀態。

3 合龍時間的選擇

考慮到鋼結構材料具有的熱膨脹特性，對氣溫的變化會十分敏感。施工中合龍段的起吊作業，宜考慮在氣溫較低時進行。伴隨著現場溫度的升高，合龍結構之間間距會逐步減小，達到設計要求后安裝定位碼板進行初固定，然后進行焊接作業，完成合龍施工。

1）繪制溫度曲線。通過收集近期天氣預報情況，并繪制48 h溫度曲線。利用溫度記錄儀在每個整點時間下觀察當前天氣溫度情況，并記錄下相關數據。

2）記錄對應溫度下合龍間隙變化。同時選擇南側底板與頂板進行數據測量，記錄下各個整點時間不同溫度情況下底板、頂板的長度（圖2）。根據溫度曲線圖，測量不同溫度下，合龍間隙的變化數值，并記錄成表。

圖2 溫度曲線示意

3）確定鋼拱肋合龍時間。通過對現場測量情況進行的數據分析，得到實測最高溫度為54 ℃，最低溫度為28 ℃，兩者合龍間隙相差1.50～1.80 cm，變化量在要求范圍內。因為變化量并不大，所以經與業主、設計溝通后確定，將合龍時間定于上午十點，合龍時氣溫定為37 ℃。

4 合龍配切工藝

為保證鋼拱能順利合龍，合龍段鋼拱在工廠制作時需留有余量。安裝前，需精確測量、計算合龍段拱肋實際長度，并進行合龍段鋼拱余量切割。合龍段余量切割工藝流程如下：

1）流程一：控制點復測。對已吊裝、焊接完成節段控制點坐標進行反復測量。

2）流程二：布置監測點。在箱梁梁段及合龍段環口位置上布置加密的監測點。

3）流程三：測距。測量出每個監測點之間的直線距離長度。

4）流程四：余量線繪制。以合龍段基準端環口為基準，先以頂、底板控制點之間的數據畫出余量線，再以兩側腹板控制點數據畫出腹板余量線。頂底腹板上的余量線應為閉合的四邊形，如不閉合，則數據出現問題，需重新測量，再畫線。

5）流程五：切割余量。

5 合龍段吊裝施工

合龍段吊裝施工時，在吊裝最不利的工況位置，即在拱頂交會處，拱肋節段自重約9 t/m。考慮設備的實際情況，節段分段質量必須控制在50 t以內，安裝高度約68 m（拱頂標高：＋72.986 m，地面以＋5.500 m標高計）。同時由于此處橋面寬度為33 m，吊裝此合龍段施工采用650 t履帶吊吊裝施工，采用抬吊施工方法將節段提升就位。吊機采用90 m把桿，在26 m工作半徑，使各吊點及鋼絞線受力均勻后緩慢提升。吊裝初始定位位置應保證環口與環口對應，節段外側面頂板、底板、腹板錯口應平齊。

6 合龍段臨時固定及焊接施工

合龍段吊裝就位精度保證后，環口部位臨時用碼板固定，碼板采用鋼板在環口四周每50 cm設置1塊。

根據現場溫度變化對縫寬的影響，在施工之間，碼板臨時固定有2種預案可以選擇：

1）合龍段兩側面同時開焊固定，安排2批焊工同時進行操作。

2）先將一側用碼板焊接固定好，待在合適溫度時再行固定另一側。

經過研究分析，在實際項目施工中，采用第2種方案，即合龍段就位后，先將一側（東）環口按要求進行碼板固定，開始焊接作業，此時，另外一側（西）仍然處于自由狀態。

待一（東）側焊縫基本完成，此時溫度也趨于穩定。另一（西）側焊縫間隙達到要求后，快速進行碼板固定，并進行焊接施工。

7 合龍定位措施

合龍前通過扣索、橫向纜風索，對拱肋進行線形、標高的調整，并根據需要進行溫度修正。合龍后對拱肋線形及位置實施精確測量，通過扣索和拱頂合龍裝置進行精調，調整合格后固定合龍裝置，進行合龍節段間連接處的焊接工作，完成后拆除臨時合龍裝置（圖3）。

圖3 合龍段定位措施示意

本工程在邊、主拱合龍的時候，結構較為復雜，除了要采取上述合龍措施外，其如何定位是一個難點。

由于合龍段需要匹配的“面”較多，所以在施工的過程，制定了先選定一個“面”精確匹配，其他面隨之調整的原則來進行。

在合龍節段安裝前，選擇BL7為基準面，用全站儀在BL7臨時支架頂部的工字鋼上測放出合龍段的輪廓邊線，并用20a#工字鋼垂直焊接在工字鋼頂面，起到拱肋節段安裝前的限位作用（圖4）。

與BL7截面完全匹配后，該面焊接少量碼板（單側1塊），在吊機不松鉤的情況下，用千斤頂配合手拉葫蘆，微量調整其他幾個面的匹配情況。在此過程中，測量儀器為輔助手段，主要觀察其他幾個面的錯邊情況和焊縫間隙。當錯邊和焊縫間隙均小于10 mm時，合龍到位，迅速采用大量碼板固結，進入焊接施工。

圖4 合龍段定位措施示意

8 結語

鋼箱拱橋空間異形拱肋合龍施工關鍵技術在該工程的成功應用，使得異形拱肋合龍段安裝施工達到了以下預期的效果：

1）拱肋節段的再劃分，有效地解決了梁段的運輸問題，從而使后續吊裝工作得以實現。

2）采用三維建模的形式，確定異形拱肋重心，從而準確地確定吊點，設置吊耳、吊繩，調整了拱肋的起吊姿態，降低了拱肋就位的難度。

3）根據鋼結構的制造精度、氣溫、風力影響等情況，對梁端位移進行測算，施工過程利用鋼結構自身的熱膨脹性促使合龍段同兩側斷面間距逐漸減小。

4）在異形拱肋的安裝環節，從場內預拼開始，到節段的翻身、三肢合龍段施工，解決了一系列的施工難題，取得了良好的施工效果。

隨著鋼拱橋的設計越來越追求結構新穎、線形優美等發展趨勢，此工程實例可為同類型橋梁的合龍施工提供一定的借鑒。