湖北秭歸長(zhǎng)江公路大橋鋼桁拱架設(shè)技術(shù)

蔣本俊，余 昆

(中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

湖北秭歸長(zhǎng)江公路大橋?yàn)?×35m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋+531.2m中承式鋼桁架拱橋+9×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，主橋拱軸計(jì)算跨徑519m，采用鋼桁架全推力中承式無(wú)鉸拱[1]，總體布置如圖1所示。大橋按雙向4車(chē)道設(shè)計(jì)，橋面寬27.3m(不含兩側(cè)各2.5m寬人行道)，汽車(chē)荷載為公路Ⅰ級(jí)。主拱采用柏式桁架、變截面雙主桁結(jié)構(gòu)，2榀主桁平行布置，矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為2.0[2]，拱頂、拱腳截面徑向高度分別為12，14m，桁寬25.3m(見(jiàn)圖2)。

圖1 大橋主橋總體布置(單位：m)

圖2 鋼桁拱標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：m)

主桁共46個(gè)節(jié)間，總重約11 415t，橋面以下部分每節(jié)間布置1道桁架式風(fēng)撐，上、下弦均布置縱平聯(lián)，橋面以上部分每2個(gè)節(jié)間設(shè)置1道風(fēng)撐，僅上弦布置縱平聯(lián)。鋼桁拱弦桿采用面板焊接，加勁肋采用高強(qiáng)螺栓連接，主桁腹桿、風(fēng)撐及縱平聯(lián)均為高強(qiáng)螺栓連接。

大橋位于三峽地區(qū)兵書(shū)寶劍峽上游峽口處，距下游三峽大壩約90km，跨越長(zhǎng)江主航道，出峽口后上游長(zhǎng)江河谷開(kāi)闊、河道較順直，峽口北岸與香溪河口毗鄰，在峽口處香溪河注入長(zhǎng)江，常年水位落差達(dá)30m。橋址處峽谷兩岸地形陡峻、谷坡基本對(duì)稱(chēng)并呈相對(duì)狹窄的V形，谷底水深最大可達(dá)180m。

受峽谷效應(yīng)影響，橋位處風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜，風(fēng)速明顯增大，且無(wú)明顯高度變化，10min內(nèi)的平均年最大風(fēng)速極值為18.3m/s，極大風(fēng)速最大值為25.5m/s，10年一遇風(fēng)速值為26.6m/s，春夏季較小、秋冬季較大，陣風(fēng)性強(qiáng)，陣風(fēng)系數(shù)達(dá)1.56[3-4]。

2 鋼桁拱架設(shè)總體方案

綜合考慮地理環(huán)境、水文、氣象、地質(zhì)等條件，本橋鋼桁拱采用纜索式起重機(jī)+斜拉扣掛法進(jìn)行施工，纜索式起重機(jī)與扣塔一體設(shè)計(jì)，以利用有限橋位基礎(chǔ)資源、減少邊坡處治投入及控制邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，扣塔與基礎(chǔ)承臺(tái)固接后，纜塔在扣塔上進(jìn)行設(shè)置并與扣塔頂鉸接，起重機(jī)主跨為601.2m，額定吊重260t，最大提升高度220m。

鋼桁拱共劃分8個(gè)拱腳段、44個(gè)桁片及1個(gè)合龍段，單側(cè)最大懸臂共11個(gè)節(jié)段。鋼桁拱在拱腳處設(shè)臨時(shí)鉸開(kāi)始架設(shè)懸臂，架設(shè)4個(gè)節(jié)段后封鉸固結(jié)。鋼桁拱桁片及桿件工廠制造后經(jīng)長(zhǎng)江水運(yùn)至橋位下方，由纜索式起重機(jī)吊裝，第1～10節(jié)段每架設(shè)1個(gè)節(jié)段掛設(shè)1層共4組扣索、錨索。架設(shè)第11節(jié)段時(shí)，因扣索角度平緩，錨索可提供的豎向分力較小，需掛設(shè)2層扣索、錨索。合龍段設(shè)于跨中偏3號(hào)墩側(cè)節(jié)間內(nèi)，采用4根上、下弦桿，根據(jù)合龍口尺寸進(jìn)行配切，并于溫度穩(wěn)定時(shí)段內(nèi)臨時(shí)鎖定兩側(cè)懸臂拱肋，完成弦桿焊接，斜桿與縱平聯(lián)桿件吊裝，連接高強(qiáng)螺栓后，實(shí)現(xiàn)正式合龍。合龍后對(duì)稱(chēng)釋放扣索、錨索形成裸拱，進(jìn)行后續(xù)主梁施工。主要施工步驟如圖3所示。

圖3 鋼桁拱架設(shè)施工步驟(單位：m)

3 鋼桁拱架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

本橋鋼桁拱跨徑大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、距水面最高處達(dá)200m。橋位處風(fēng)速大、風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜、長(zhǎng)江航運(yùn)繁忙并受三峽大壩、葛洲壩翻壩和川江航道管制影響，運(yùn)輸船舶最大尺寸為123.6m×20.6m[5]。采用纜索式起重機(jī)+斜拉扣掛法可解決起吊高度大、近岸節(jié)段無(wú)法豎直吊裝及懸臂平衡架設(shè)難題[6]，但仍存在無(wú)鉸拱線(xiàn)形及內(nèi)力調(diào)整相對(duì)困難、節(jié)段起吊循環(huán)周期長(zhǎng)、占用航道時(shí)間長(zhǎng)、大懸臂及吊裝施工易遭遇大風(fēng)影響等問(wèn)題。為保證順利架設(shè)，采用臨時(shí)鉸架設(shè)初始節(jié)段、主桁及風(fēng)撐桁片式制造、運(yùn)輸及吊裝，扣索、錨索抑振，大懸臂及桁片吊裝抗風(fēng)、無(wú)鉸拱自然合龍等技術(shù)。

3.1 臨時(shí)鉸架設(shè)初始節(jié)段技術(shù)

為使主拱初始懸臂架設(shè)時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，避免無(wú)鉸拱因拱腳固結(jié)懸臂架設(shè)時(shí)難以調(diào)整線(xiàn)形、因調(diào)整措施引起主拱內(nèi)力超限等問(wèn)題，在拱腳與拱座間設(shè)置臨時(shí)鉸支座，如圖4所示。考慮拱肋懸臂架設(shè)過(guò)程中橫向風(fēng)荷載對(duì)根部臨時(shí)鉸支座的影響，為確保施工安全，在懸臂架設(shè)4個(gè)節(jié)段共8個(gè)節(jié)間后實(shí)施封鉸，此時(shí)懸臂長(zhǎng)約88m，超過(guò)最大懸臂的1/3，可滿(mǎn)足根部節(jié)段精確定位要求，為后續(xù)節(jié)段線(xiàn)形、內(nèi)力控制提供基礎(chǔ)，同時(shí)隨著懸臂長(zhǎng)度增大前端剛度減小，即使根部固結(jié)，仍可利用扣索對(duì)鋼桁拱線(xiàn)形、內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。

圖4 臨時(shí)鉸支座結(jié)構(gòu)(單位：m)

臨時(shí)鉸支座結(jié)構(gòu)采用鋼鉸支座+鋼管混凝土鉸軸構(gòu)造，鉸軸直徑2m，拱座上預(yù)留封鉸槽口和弦桿承壓板過(guò)渡臺(tái)階。臨時(shí)鉸支座與鉸軸匹配制造并經(jīng)試拼后，與拱座一同澆筑預(yù)埋。鉸軸與第1節(jié)桁片組成整體，利用纜索式起重機(jī)吊裝桁片，鉸軸裝入鉸支座、安裝環(huán)形扣板進(jìn)行固定，然后掛設(shè)扣索、錨索形成穩(wěn)定懸臂結(jié)構(gòu)。第1節(jié)段架設(shè)完成后，在鉸軸內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。

施工時(shí)將弦桿拱腳固結(jié)桿件匹配主桁第1節(jié)段對(duì)應(yīng)部位并焊接，然后安裝拱座預(yù)留的封鉸槽口鋼筋，并立模澆筑C40微膨脹混凝土，弦桿承壓板下方過(guò)渡臺(tái)階預(yù)留<20mm間隙，進(jìn)行重力式灌漿，最后按設(shè)計(jì)拉力張拉弦桿拱腳處的預(yù)埋鋼拉桿，并壓注黏結(jié)水泥漿。

3.2 桁片式制造、運(yùn)輸及吊裝技術(shù)

吊裝方案應(yīng)充分利用纜索式起重機(jī)吊重能力強(qiáng)、可重載縱向移動(dòng)的特點(diǎn)，滿(mǎn)足大壩及航道通行要求并合理設(shè)計(jì)纜索式起重機(jī)，需規(guī)避單次吊裝耗時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而引起航道占用時(shí)間長(zhǎng)、單個(gè)節(jié)段循環(huán)周期長(zhǎng)、高空作業(yè)節(jié)點(diǎn)多，可能導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)增大、工期延誤、工藝質(zhì)量控制難等問(wèn)題。

若采用立體桁段方案，運(yùn)輸寬度25.3m，超出20.6m的船型限制，且質(zhì)量>600t，纜索式起重機(jī)系統(tǒng)規(guī)模過(guò)于龐大且設(shè)計(jì)、施工困難。因此，將主桁、風(fēng)撐劃分為桁片進(jìn)行制造、運(yùn)輸、吊裝，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段僅需4～5次吊裝即可完成全部作業(yè)，滿(mǎn)足施工要求。主桁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由2個(gè)節(jié)間組成，可在節(jié)段內(nèi)保留1個(gè)完整節(jié)間，無(wú)須另設(shè)輔助桿件，節(jié)段最長(zhǎng)37.5m，最重257.6t。風(fēng)撐桁片需在兩端增設(shè)臨時(shí)豎桿，保證桁片運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中的完整性。主桁桁片架設(shè)如圖5所示。

圖5 主桁桁片架設(shè)

主桁先制造板單元和桿件，然后在胎架上按“1+2”方式組拼成桁片，脫胎后轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸船上，立式運(yùn)輸以方便多桁片運(yùn)輸及吊裝。風(fēng)撐、縱平聯(lián)制作成桿件后，選取部分節(jié)段，采用平面輾轉(zhuǎn)法進(jìn)行試拼，風(fēng)撐組成桁片、縱平聯(lián)為單件轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸船上，平位擺放。

架設(shè)時(shí)，運(yùn)輸船在待架水域進(jìn)行動(dòng)力定位，主桁桁片經(jīng)纜索式起重機(jī)起吊時(shí)，前、后吊點(diǎn)應(yīng)同步分級(jí)加載，桁片脫離運(yùn)輸船后一次調(diào)整姿態(tài)以?xún)?yōu)化分配前、后點(diǎn)吊重，對(duì)位時(shí)二次調(diào)整姿態(tài)進(jìn)行對(duì)位連接。扣索、錨索掛設(shè)張拉與纜索式起重機(jī)松鉤按2次分級(jí)加載、卸載控制，即桁片與后端節(jié)段臨時(shí)連接后，扣索、錨索張拉至50%初張拉索力，然后卸載纜索式起重機(jī)直至松鉤，扣索平衡單個(gè)桁片自重，避免因扣索索力過(guò)大，單個(gè)桁片橫向面外受力過(guò)大，導(dǎo)致桿件臨時(shí)連接破壞的問(wèn)題。待節(jié)段間風(fēng)撐及縱平聯(lián)全部安裝完成后，繼續(xù)將扣索、錨索張拉至100%初張拉索力，并精確調(diào)整主拱線(xiàn)形及內(nèi)力，形成正式懸臂受力。

3.3 扣索、錨索抑振技術(shù)

本橋扣索、錨索由多股鋼絞線(xiàn)組成，施工階段在風(fēng)力作用下產(chǎn)生鋼絞線(xiàn)互相擊打和持續(xù)振動(dòng)現(xiàn)象，極易出現(xiàn)錨頭處鋼絞線(xiàn)疲勞斷裂、夾片松動(dòng)和鋼絞線(xiàn)擊打損傷等問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)錨前抑振筒、錨后防松裝置和鋼絞線(xiàn)束間固定裝置。

錨前抑振筒由密貼鋼絞線(xiàn)束的橡膠墊圈和固定夾持墊圈的鋼制哈弗夾具組成，可有效消除鋼絞線(xiàn)持續(xù)振動(dòng)，保持錨具夾片呈靜力錨固狀態(tài)。錨后防松裝置由防松脫錨具和延長(zhǎng)筒組成，防松脫錨具由制造廠家提供，為1塊帶夾片限位帽的圓形錨板，通過(guò)小螺栓與錨具連接。延長(zhǎng)筒是在錨墊板上加設(shè)的圓筒形鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)套，將扣索、錨索尾部逐根張緊并增加P錨，錨固于延長(zhǎng)筒頂部，可避免錨具夾片處偶然振動(dòng)導(dǎo)致脫錨等。鋼絞線(xiàn)束互相擊打，在較短的鋼桁拱架設(shè)期間，造成鋼絞線(xiàn)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較低，但頻繁產(chǎn)生的擊打聲易讓施工管理人員產(chǎn)生不安全感，同時(shí)反復(fù)擊打?qū)︿摻g線(xiàn)表面造成一定損傷，為此在扣索、錨索可人工操作的近拱端、近扣塔端處，鋼絞線(xiàn)束間纏繞鋼絲繩以加強(qiáng)整體性，中間高空部分引入電力系統(tǒng)使用的單根防振鞭，該防振鞭為螺旋管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑略大于鋼絞線(xiàn)外徑，可徑向活動(dòng)地包覆在鋼絞線(xiàn)上，通過(guò)改變安裝處鋼絞線(xiàn)外形及質(zhì)量，以提升阻尼比，通過(guò)與線(xiàn)纜撞擊消散振動(dòng)能量，進(jìn)而減弱鋼絞線(xiàn)振動(dòng)。防振鞭可沿鋼絞線(xiàn)縱向移動(dòng)，高空部分由人工在端部裝入，然后利用牽引繩移動(dòng)安裝到位。

3.4 鋼桁拱大懸臂及桁片吊裝抗風(fēng)技術(shù)

鋼桁拱懸臂施工的結(jié)構(gòu)體系由單側(cè)懸臂拱肋、扣塔、錨碇及連接的扣索、錨索組成，扣塔尺寸及剛度、扣索、錨索變形剛度及索力均與設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)體系存在一定差異。此外，由于主桁桁片構(gòu)造特點(diǎn)，前吊點(diǎn)設(shè)于下弦桿、后吊點(diǎn)設(shè)于上弦桿，吊點(diǎn)連線(xiàn)形成的傾覆線(xiàn)與桁片重心較接近，需驗(yàn)證特殊風(fēng)場(chǎng)作用下扭轉(zhuǎn)響應(yīng)及傾覆風(fēng)速，因此委托同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行施工階段懸臂架設(shè)及主桁桁片吊裝的抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)。

經(jīng)試驗(yàn)分析，鋼桁拱懸臂施工狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速均高于檢驗(yàn)風(fēng)速，且無(wú)明顯渦激振動(dòng)現(xiàn)象[7]，但拱肋及扣塔在紊流場(chǎng)風(fēng)攻角+3°時(shí)的最不利風(fēng)況下，位移響應(yīng)接近0.3m，且在橫向風(fēng)作用下拱腳承受較大扭矩。試驗(yàn)如圖6所示。為此，在扣塔頂橫向兩側(cè)端部與對(duì)岸拱座間增設(shè)前風(fēng)纜，與扣塔后風(fēng)纜對(duì)稱(chēng)張緊，共同形成對(duì)扣塔頂?shù)募s束，以控制扣塔頂在風(fēng)力作用下的瞬時(shí)位移，同時(shí)改善扣塔與拱肋牽連引起的位移響應(yīng)，調(diào)整后經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試扣塔頂位移控制在12mm內(nèi)，并在鋼桁拱處架設(shè)4個(gè)節(jié)段，以封固拱腳處的臨時(shí)鉸支座，平衡橫向風(fēng)致扭矩。

圖6 鋼桁拱最大懸臂狀態(tài)紊流場(chǎng)試驗(yàn)

主桁桁片吊裝測(cè)振試驗(yàn)表明，繞水平方向扭轉(zhuǎn)位移斜率突變處，風(fēng)速作為傾覆風(fēng)速，除第5節(jié)段傾覆風(fēng)速為17.7m/s，小于橋位處平均年最大風(fēng)速極值18.3m/s，其他節(jié)段傾覆風(fēng)速均>23m/s。為防止第5節(jié)段吊裝時(shí)因風(fēng)力作用發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)傾覆，在纜索式起重機(jī)前，吊具與桁片上弦桿前節(jié)點(diǎn)間增設(shè)1組平衡索，原理是桁片沿前、后吊點(diǎn)連線(xiàn)的傾覆線(xiàn)發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)時(shí)，平衡索因張緊起約束作用，可產(chǎn)生抑制傾覆的穩(wěn)定力矩。

3.5 無(wú)鉸拱自然合龍技術(shù)

由于無(wú)鉸拱拱腳固結(jié)且拱上作業(yè)面受限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)拱腳頂推縱移、拱上移動(dòng)壓載等措施，調(diào)整合龍口高程、長(zhǎng)度、橫向及可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)角偏差的措施，僅能依靠溫度變化、調(diào)整懸臂端扣索、兩側(cè)懸臂端對(duì)拉及對(duì)頂、合龍桿件配切等方法，為此研究分析強(qiáng)制合龍與自然合龍方案。

強(qiáng)制合龍的目的是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)精確合龍，為消除鋼桁拱高程及轉(zhuǎn)角影響，將懸臂端頂平，然后迅速裝入合龍桿件，對(duì)兩側(cè)懸臂端采取等溫度變化或?qū)椒ǎ韵淆埧陂L(zhǎng)度偏差，再進(jìn)行臨時(shí)鎖定。計(jì)算分析表明，變化懸臂端扣索索力可有效調(diào)整合龍口高程及轉(zhuǎn)角，但斜拉扣索產(chǎn)生的水平分力造成鋼桁拱軸向壓縮約260mm，采取對(duì)拉措施則拉力過(guò)大，依靠溫度變化由于日照影響，左、右兩主桁溫度梯度不同，無(wú)法同步實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度變化。經(jīng)計(jì)算及觀測(cè)，溫度每變化1℃，合龍口長(zhǎng)度變化9mm，260mm偏差需升溫29℃，現(xiàn)場(chǎng)氣象條件無(wú)法滿(mǎn)足。即使控制縮短合龍口長(zhǎng)度，采取合龍桿件溫度縱移時(shí)的橫向限位等措施，確保理論上可行，但面臨現(xiàn)場(chǎng)日照、整體升降溫速率及幅度等因素影響，施工窗口期時(shí)段不易預(yù)測(cè)和把握，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。另外，采取合龍口對(duì)拉措施強(qiáng)制合龍并釋放扣索后，計(jì)算結(jié)果為裸拱線(xiàn)形低于理論線(xiàn)形，拱頂?shù)?09mm，對(duì)鋼桁拱運(yùn)營(yíng)階段受力不利。自然合龍是根據(jù)合龍時(shí)段合龍口實(shí)際長(zhǎng)度，對(duì)弦桿桿件進(jìn)行配切安裝，按合龍口長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)值長(zhǎng)100，260mm進(jìn)行計(jì)算分析，釋放扣索后，裸拱線(xiàn)形相比理論線(xiàn)形，拱頂?shù)?5mm、拱頂高131mm，其中合龍口長(zhǎng)度控制在100mm時(shí)與理論線(xiàn)形較吻合，此時(shí)鋼桁拱施工內(nèi)力狀態(tài)滿(mǎn)足要求。

因此，采用自然合龍方案，合龍口高程及轉(zhuǎn)角偏差通過(guò)扣索索力進(jìn)行調(diào)整，橫向軸線(xiàn)偏差通過(guò)對(duì)角線(xiàn)對(duì)拉進(jìn)行調(diào)整，長(zhǎng)度偏差根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)合龍桿件進(jìn)行配切調(diào)整。對(duì)扣索索力及橫向?qū)胧囟茸兓M(jìn)行相應(yīng)的敏感性分析，如表1所示。懸臂架設(shè)時(shí)，按敏感性分析結(jié)果規(guī)定合龍口相對(duì)偏差的控制標(biāo)準(zhǔn)，兩側(cè)懸臂端控制在設(shè)計(jì)(工況計(jì)算)高程的±30.000mm以?xún)?nèi)、相對(duì)高程差<50mm、軸線(xiàn)偏位<20mm[8]，長(zhǎng)度偏差按大于理論長(zhǎng)度100mm內(nèi)控制。實(shí)際合龍開(kāi)始時(shí)間為2018年5月17日夜間，溫度19℃與設(shè)計(jì)溫度20℃基本相符，合龍配切的弦桿桿件比設(shè)計(jì)值長(zhǎng)約84mm，斜桿可按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度順利裝配，扣索釋放后拱頂比理論值低32mm，鋼桁拱線(xiàn)形及內(nèi)力與計(jì)算結(jié)果吻合性較好。

表1 合龍口敏感性分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

湖北秭歸長(zhǎng)江公路大橋的主拱采用鋼桁拱結(jié)構(gòu)，施工中充分結(jié)合水文、地質(zhì)、氣象條件，通過(guò)臨時(shí)鉸支座架設(shè)鋼桁拱4個(gè)初始節(jié)段，以精確控制線(xiàn)形；采用主桁及風(fēng)撐桁片式制造、運(yùn)輸及吊裝技術(shù)，以及纜索式起重機(jī)提升作業(yè)效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)抑振筒、防振鞭等扣索、錨索抑振措施，防止扣索、錨索疲勞破壞；通過(guò)大懸臂及桁片吊裝抗風(fēng)性能試驗(yàn)，采取針對(duì)性措施，解決鋼桁拱架設(shè)期間的抗風(fēng)問(wèn)題；通過(guò)研究無(wú)鉸拱強(qiáng)制合龍與自然合龍方案，最終采用自然合龍方案，確保可施工性和結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)。經(jīng)過(guò)檢查和質(zhì)量驗(yàn)收，鋼桁拱線(xiàn)形、內(nèi)力控制精度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，實(shí)施過(guò)程安全可靠。該橋于2017年8月5日開(kāi)始架設(shè)鋼桁拱，2018年5月22日完成鋼桁拱合龍，2019年10月1日正式通車(chē)。