大跨度拱橋鋼拱肋臥-立組合式制造與施工技術(shù)

李國(guó)華

(中鐵上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436)

1 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路重慶段奉節(jié)梅溪河雙線特大橋主橋設(shè)計(jì)為上承式提籃拱橋結(jié)構(gòu)，主跨340m橫跨梅溪河河谷，矢高74m[1-2]，主拱圈勁性骨架設(shè)計(jì)為鋼拱肋結(jié)構(gòu)。鋼拱肋為變寬變高鋼桁拱架，主拱圈平面呈X形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段。從拱腳到拱圈分叉處由2肢單箱單室拱肋組成，拱頂合并為單箱三室截面，分叉段半幅采用3道橫梁連接，拱肋外緣高度由拱腳處的10m變至拱頂處的5m。拱軸z軸立面線形采用懸鏈線，y軸豎面整體內(nèi)傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結(jié)構(gòu)。拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m。拱肋主弦管尺寸為φ750×24，橫梁弦管尺寸為φ560×16，連接桿件、腹桿、其余連接件均采用4肢組合角鋼結(jié)構(gòu)。梅溪河特大橋鋼拱肋用鋼量4 083.3t，弦管材質(zhì)為Q390D，連接桿件及節(jié)點(diǎn)板材質(zhì)為Q345D，填板及部分小型零件材質(zhì)為Q235C。鋼拱肋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 梅溪河特大橋鋼拱肋結(jié)構(gòu)模型

鋼拱肋采用纜索式起重機(jī)斜拉扣掛安裝施工[3]，纜索式起重機(jī)為纜扣分離、雙塔3跨結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 梅溪河特大橋斜拉扣掛系統(tǒng)

2 技術(shù)原理

所謂的臥-立組合式制造就是在單肢拱肋臥式“n+1”輪次連續(xù)匹配拼裝的基礎(chǔ)上[4]，將橫梁及拱頂合并段區(qū)域的上、下游單肢拱肋按廠制預(yù)拱度進(jìn)行長(zhǎng)線法立式匹配拼裝，通過(guò)單肢臥拼和整體立拼雙重線形控制，確保鋼拱肋節(jié)段廠內(nèi)制造線形精度；并在試拼裝結(jié)束及時(shí)采集拱肋線形坐標(biāo)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將試拼裝線形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)放樣坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)位廠內(nèi)試拼裝線形，確保鋼拱肋高精度合龍。

3 施工工藝

3.1 拱肋加工節(jié)段劃分

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備起重能力合理劃分吊裝節(jié)段，分段位置避開(kāi)節(jié)點(diǎn)等應(yīng)力集中部位。并充分利用吊裝設(shè)備的起重能力，盡可能劃分大節(jié)段、減少吊裝次數(shù)。將橫梁、拱頂合并段區(qū)域相關(guān)橫向連接桿件與上、下游拱肋劃分為一體整體制作、整體運(yùn)輸、整體吊裝。本橋鋼拱肋除拱腳預(yù)埋段及拱頂合龍段外，半跨拱肋共劃分為16個(gè)節(jié)段，全橋共計(jì)48個(gè)吊裝單元。節(jié)段1～11位于拱腳分叉段區(qū)域，節(jié)段12～16位于拱頂合并段區(qū)域。拱肋節(jié)段單節(jié)最大吊重150t、分叉段單側(cè)拱肋質(zhì)量≤75t。梅溪河特大橋拱肋節(jié)段劃分如圖3所示，節(jié)段質(zhì)量如表1所示。

圖3 梅溪河特大橋拱肋節(jié)段劃分

表1 梅溪河特大橋拱肋節(jié)段質(zhì)量

3.2 單元件加工

1)主弦管加工 根據(jù)拱肋節(jié)段劃分方案，主弦管采用長(zhǎng)度為1 000～2 500mm鋼管對(duì)接接長(zhǎng)，拱肋的線形曲線采用以折代曲的方法形成[5]。鋼板經(jīng)滾板機(jī)校平后，根據(jù)管節(jié)尺寸下料，并切割出直縫對(duì)接邊焊接坡口。將鋼板開(kāi)好坡口的兩側(cè)預(yù)壓彎，利用卷管設(shè)備將鋼板卷制成所需直徑的鋼管，鋼板軋制方向與卷管方向相同。焊接管節(jié)縱向?qū)雍缚p，探傷檢測(cè)合格后利用卷管設(shè)備進(jìn)行復(fù)滾作業(yè)，直至管節(jié)圓度滿(mǎn)足規(guī)范要求。利用相貫線切割機(jī)切割管節(jié)之間對(duì)接相貫口，并在組裝平臺(tái)上劃線組焊接長(zhǎng)主弦管，管節(jié)之間環(huán)形對(duì)接焊縫采用懸臂式埋弧自動(dòng)焊焊接，焊縫檢測(cè)合格轉(zhuǎn)入拱肋拼裝作業(yè)區(qū)。詳細(xì)工藝如圖4所示。

圖4 主弦管加工工藝流程

2)連接系及節(jié)點(diǎn)板加工 連接系桿件根據(jù)施工圖長(zhǎng)度進(jìn)行切割下料。拼裝前，根據(jù)地樣組合桿件中心線，拼裝角鋼及其填板，點(diǎn)焊固定，尺寸檢查合格后焊接。相應(yīng)節(jié)點(diǎn)板均采用數(shù)控下料，按零件套料圖排版，下料結(jié)束及時(shí)標(biāo)記零件編號(hào)，并開(kāi)出待焊坡口。

3.3 單肢拱肋臥式拼裝

1)臥拼胎架設(shè)計(jì) 結(jié)合監(jiān)控單位廠制預(yù)拱度指令，轉(zhuǎn)換相應(yīng)控制點(diǎn)坐標(biāo)，三維放樣最終廠制拱肋線形。并根據(jù)拱肋豎面內(nèi)傾結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及廠制線形進(jìn)行臥拼胎架設(shè)計(jì)[6]，胎架設(shè)計(jì)為雙層型鋼結(jié)構(gòu)，上、下層之間利用法蘭盤(pán)螺栓連接。胎架安裝時(shí)根據(jù)地樣定位安裝，并對(duì)其線形及結(jié)構(gòu)尺寸驗(yàn)收合格后投入使用，胎架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 臥拼胎架結(jié)構(gòu)示意

2)拱肋節(jié)段臥拼 主弦管單元吊裝至胎架上，對(duì)準(zhǔn)控制點(diǎn)地樣和標(biāo)高，調(diào)整好線形，點(diǎn)焊固定。根據(jù)地樣控制點(diǎn)在鋼管上作出相應(yīng)桿件的定位線，對(duì)線組裝節(jié)點(diǎn)環(huán)板及相應(yīng)連接桿件。組裝相應(yīng)桿件時(shí)在調(diào)整平面角度的同時(shí)保證節(jié)點(diǎn)環(huán)板平面鉛垂，定位好點(diǎn)焊固定，完成底層單桁片組裝。隨后安裝頂層胎架，按同樣的方式安裝頂層單桁片，并完成相應(yīng)連接桿件的安裝。檢查各項(xiàng)控制點(diǎn)線形符合要求后在胎架上進(jìn)行整體焊接。拱肋節(jié)段臥拼工藝流程如圖6所示。

圖6 拱肋節(jié)段臥拼工藝流程

3)臥式連續(xù)匹配試拼裝 拱肋節(jié)段組焊結(jié)束，按廠制預(yù)拱度進(jìn)行試拼裝。試拼裝在原位胎架上進(jìn)行，對(duì)各節(jié)段之間環(huán)口標(biāo)高進(jìn)行精確調(diào)整，并通過(guò)雙向調(diào)節(jié)匹配件對(duì)管口對(duì)接錯(cuò)變量進(jìn)行精確調(diào)整，必要時(shí)對(duì)局部進(jìn)行火焰矯正。各項(xiàng)檢查尺寸檢驗(yàn)合格后做好剛性固定，解鎖匹配件下胎轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)入下一輪次臥式拼裝工序(見(jiàn)圖7)。

圖7 拱肋臥式連續(xù)匹配試拼裝施工照片

3.4 拱肋整體立式拼裝

1)立拼胎架設(shè)計(jì) 由于拱肋節(jié)段通過(guò)臥拼結(jié)束，已形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，立拼胎架設(shè)計(jì)為利用型鋼加工而成的支撐臺(tái)座，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求即可。立拼胎架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 立拼胎架結(jié)構(gòu)示意

2)拱肋整體立式拼裝 將上、下游單肢拱肋節(jié)段分別吊至胎架上，通過(guò)吊錘線的方式將節(jié)段端口控制點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)地樣，調(diào)整好平面線形；測(cè)量端口和控制點(diǎn)標(biāo)高，調(diào)節(jié)胎架墊高，從而調(diào)整好立面線形，重點(diǎn)監(jiān)控節(jié)段端口線形。根據(jù)節(jié)點(diǎn)環(huán)板，并對(duì)準(zhǔn)橫梁弦管地樣安裝橫梁弦管，調(diào)整到位后及時(shí)焊接橫梁弦管與主弦管之間的熔透焊縫。按地樣及控制點(diǎn)完成其余橫向連接桿件的組拼焊接，形成整體拱肋節(jié)段，如圖9所示。

圖9 拱肋立拼結(jié)構(gòu)模型及施工照片

3)立式連續(xù)匹配試拼裝 由于所有拱肋節(jié)段在臥式拼裝時(shí)經(jīng)過(guò)連續(xù)匹配試拼裝工序，立式試拼裝工序按成橋拱形對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證(見(jiàn)圖10)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對(duì)所有控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。若有偏差通過(guò)雙向調(diào)節(jié)匹配件對(duì)其進(jìn)行重新修正，做好相應(yīng)標(biāo)記。并將最終試拼裝線形坐標(biāo)信息記錄在案，為現(xiàn)場(chǎng)安裝放樣做好技術(shù)準(zhǔn)備工作。試拼裝結(jié)束后解鎖匹配件，下胎轉(zhuǎn)運(yùn)至存梁區(qū)域。

圖10 拱肋立式連續(xù)匹配試拼裝施工照片

4 安裝效果驗(yàn)證

梅溪河特大橋在整個(gè)拱肋吊裝過(guò)程中，通過(guò)對(duì)廠內(nèi)試拼裝時(shí)采集的線形數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)橋位放樣坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；并作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控的主要依據(jù)，結(jié)合監(jiān)控單位安裝指令聯(lián)合控制拱肋現(xiàn)場(chǎng)安裝線形，整個(gè)吊裝過(guò)程中，扣掛系統(tǒng)安全可靠，拱肋線形各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)達(dá)標(biāo)，完美實(shí)現(xiàn)高精度合龍。

5 結(jié)語(yǔ)

以梅溪河特大橋鋼拱肋加工制造施工過(guò)程為例，應(yīng)用臥-立組合式制造施工技術(shù)，在單肢拱肋臥式拼裝的基礎(chǔ)上，將橫梁及拱頂合并段區(qū)域的上、下游單肢拱肋按廠制預(yù)拱度進(jìn)行長(zhǎng)線法立式匹配拼裝，通過(guò)單肢臥拼和整體立拼雙重線形控制，確保了鋼拱肋節(jié)段在廠內(nèi)制造的線形精度。在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將試拼裝實(shí)際采集的線形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)放樣坐標(biāo)，成功實(shí)現(xiàn)鋼拱肋高精度合龍。