拱橋鋼拱架設計優化研究

吳建磊WU Jian-lei

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊050000）

1 概述

鋼拱架采用多功能可調標準化特種鋼拱架。鋼拱架主要包括兩部分，即基本節段和聯結系。其中基本節段由拱腳段、標準段、調整段和拱頂段組成。標準段和調整段全橫向寬度為70cm。截面下弦的兩端為銷孔的陰陽端，下弦桿在安裝拱門時通過銷釘連接。在安裝過程中，該部分可以圍繞銷軸稍微旋轉；節段上弦的兩端為調節螺釘的陽端和陰端。兩端螺紋都是T 型螺紋。安裝拱門時，通過旋轉陰陽弧頭調節螺釘，如確保標準段到達指定位置。在安裝拱頂段之前，拱頂段并不是一個完整的節段，而是完全一致的兩個分節段，它是分開且相同的兩個子段。上下弦桿由連接鋼板連接，利用連接鋼板的長度可消化安裝期間產生的累積誤差。

2 鋼拱架拱腳與拱座的定位裝置研發

鋼拱架由多個組裝單元組裝而成。首尾的拱腳必須與拱底相連。現有的連接形式是在拱座的斜坡上開半圓槽，然后在半圓槽內放置拱腳端柱，中間拱架單元依次連接。端柱置于半圓槽內，穩定性差，總是無法避免的出現錯位問題。若改變槽體，在原先半圓槽的基礎上多出半個圓，發現效果得到明顯改善，錯位問題大有緩解，但安裝較為費力，因開口較小，不能夠直接安放，端柱也不能從前面進去。為此，對鋼拱的拱腳和拱座的定位裝置進行了研究。該裝置對端柱在半圓槽內的安裝具有良好的定位和調節作用，并保證端柱在安裝過程中不會從槽中掉出。

為了可以把拱腳的端柱放入多半圓槽口中，經研究發現可以采取從槽口側面插入的形式。首先用專業設備把吊起來拱腳，且放置在兩個支撐叉的上方，也就是說拱腳的兩側可以被兩個支撐叉分別支撐住，當支撐叉支撐住拱腳的時候，再合理調整位置。具體調整包括：①利用專業設備調整與座槽長度垂直的位置，從而移動拱腳；②調節拱腳的高度，即調節第一個油缸的高度，兩個第一個油缸同時上升或同時下降，實現調節拱腳高度；③拱腳擺動調節，通過第二油缸的推動，水平桿上升接觸拱腳，然后分別調節兩個第一油缸，實現拱腳由水平桿支撐，順時針或逆時針擺動。通過以上三項調整，使拱腳底柱與凹口對齊。對準后，可以通過人力或其他外力將支撐車沿座槽長度推動，實現端柱插入槽口中，當然，在此過程中，為防止傾翻，上面的起重設備的鋼絲繩應一直處于懸掛狀態。（安裝示意圖見圖1）

圖1 鋼拱架拱腳與拱座的定位安裝裝置的結構示意圖

3 鋼拱架銷孔對接工裝研發

連接相鄰兩套機架的底部時，先將兩組架體的銷孔大致對應，然后微調對齊銷孔。由于機架重量較大，因此很難通過吊裝將相鄰的兩個機架對齊。 現有技術中，兩個框架的銷孔一般通過環鏈葫蘆或鋼絲繩對正，施工不僅難度大，而且時間長，橋梁的施工進度不僅會因此受到影響，更甚者可能影響到橋梁施工質量。為此，已經開發了鋼拱架銷孔對接工具。 與環鏈葫蘆或鋼絲繩牽引的方法相比，施工難度較小。在對準銷孔的同時，將銷孔插入兩個框架的銷孔中，完成兩個框架的連接，加快橋梁建設進度。（結構圖見圖2）

圖2 鋼拱架銷孔對接工裝及細部結構示意圖

鋼拱架銷孔對接工裝包括銷軸、導向頭和扳手。銷軸作為相鄰兩組架體的轉軸，作用是連接相鄰兩組架體的銷孔；尾端設有尾蓋，靠近頭端的側壁設有安裝開口銷的安裝孔；頭端設置為尖頭，導頭的尾端與銷軸的頭端可拆卸連接；橫截面為矩形，橫截面較長邊長小于銷軸的直徑，以確保導向頭可以穿過框架的銷孔。尾端面的長邊長度與銷軸的直徑相同，以確保當導向頭穿過兩個架體銷孔的重疊部分時，銷軸可以穿過相鄰兩個框體的銷孔重疊部分，扳手垂直于銷軸設置，并與導向頭可拆卸連接，用于使導向頭繞銷軸的轉軸轉動，以調整兩架體銷孔的相對位置，使其處在預定位置。

4 鋼拱架拉繩的微調裝置研發

鋼拱架吊裝時，在逐節安裝鋼拱架單元時，每根拉繩的受力都會發生細微的變化，在鋼拱架的最終調整時，鋼拱架需要由拉繩調節拱架的拱度。這時鋼拱架就需要用拉繩進行調整。現有技術中，拉繩上裝有手動葫蘆，工人通過手動葫蘆調節拉繩的松緊度和長度。然而，由于與鋼拱架相連的牽引繩數量較多，每根牽引繩都需要對應一臺手動葫蘆，相應的成本必然增加。而且，手拉葫蘆主要是用棘輪鎖緊，單向旋轉的特點不能適應拉絲過程，安全性差。為此，設計開發了一種結構簡單、成本較低、安裝方便、拉繩長度調節方便、安全性高的鋼拱架拉繩微調裝置。

在鋼拱架單元搭設前，先對拉繩進行組裝準備；牽引繩有兩節，一端用于固定在地面或預制橋墩上，另一端用于與鋼拱單元連接。兩段拉繩分別連接兩個牽引件。此時，第一連接元件和第二連接元件之間的間隔距離處于最小狀態，兩個牽引元件之間的間隔距離處于最大狀態。拉繩固定在地面或橋墩上，并進行預收緊，進而與鋼拱架單元相連。固定拉繩兩端后，通過調節件調節第一連接件與第二連接件之間的距離，使第一連接件與第二連接件相互遠離，兩個牽引件相對移動，進而使兩個牽引件相對移動，對拉繩進行收緊，同時縮短拉繩，使鋼拱單元吊裝平穩。后期調整鋼拱度數時，拉繩的張力和長度也是通過調整元件來控制的。

5 鋼拱架合攏段輔助裝置設計研發

鋼拱合攏不僅是鋼拱架安裝的關鍵工藝，同時也是其關鍵工序；現有鋼拱在安裝時同時安裝在鋼拱的兩端，并在兩段鋼拱的中間封閉；然而，兩段式鋼拱架的折疊段可能無法安裝標準框架，正因為如此，需要對標準架體進行切割、拼裝和焊接，以封閉兩段鋼拱架。在這種情況下，現場加工存在極大困難，收尾效率必定受到不利影響。

5.1 鋼拱架合攏段的安裝架開發

安裝架包括安裝部和調整部；安裝部用于與合閘段兩端的鋼拱連接，數量為兩個；調節部有多個，分別設置在安裝部的兩端，并與安裝件鉸接；調節部與安裝部形成六邊形結構，相鄰的調節部分鉸接以調節兩個安裝部之間的距離。

與現有技術相比，封閉段兩端的鋼拱上分別連接有兩個安裝部，在安裝過程中通過調節部的轉動來調節兩個安裝部之間的距離，所以，可使安裝架置于合攏段，完成兩根鋼拱的合攏施工；因為安裝部和調整部是六角形的，安裝部與調整部鉸接，調整相鄰的兩個調節部的角度，可以改變兩個安裝部之間的距離；在將兩個安裝部固定在鋼拱架上后，相鄰的調整部之間會形成三角形結構，便于安裝架穩定安裝在合閘段。

支撐機構與調節部連接，連接合閘段兩端鋼拱頂，位于安裝部上方；由于兩個安裝部同一端的調節部都是斜面，不便安裝后續澆注模板支撐澆注模板；支撐機構可以連接封閉段兩端的鋼拱頂，在安裝后續澆注模板時可以支撐澆注模板，從而便于后續的施工。

5.2 鋼拱架合攏段的調節架

與現有技術相比，利用絲杠與套筒的螺紋配合，可以調節第一安裝架和第二安裝架之間的距離。第一安裝架與連接件鉸接，第二安裝架與套筒鉸接，第一安裝架和第二安裝架的安裝角度可以調整。因此，便于將第一安裝架和第二安裝架安裝在合閘段兩端的鋼拱架上，于合閘的施工效率而言大大提高了；桿與連接部可旋轉地連接。因此，可以調整第一安裝架的角度，并且可以將絲杠與套筒轉動連接，從而調整絲杠伸出套管的長度，從而使第一安裝架和第二安裝架均能夠置于合閘段，連接合閘段兩端的鋼拱，完成合閘施工；支撐機構連接第一安裝架和第二安裝架，一方面可以加強第一安裝架與第二安裝架的連接，方便提高閉合段的連接強度。另一方面方便支持澆注模板的后續安裝，詳見圖3。

圖3 拼裝支架合龍

6 鋼拱架拆卸裝置

在橋梁施工期間，應先在施工現場預架設鋼拱架，之后在架設好的鋼拱架上鋪設砌塊或澆筑混凝土。橋梁施工完成后，拆除鋼拱；拆除鋼拱架時，出于安全的角度考慮，應先將需要拆除的鋼拱架固定，如此可避免鋼拱架墜落問題；就當前的市場而言，通常的加固鋼拱架的方法是在橋梁拱圈上鉆孔，將懸索的一端連接牽引裝置，懸索另一端穿過拱圈孔后，固定在鋼拱架上，如此可把拆開的鋼拱架通過懸索送至地面；橋梁拱圈沖孔后，會破壞橋梁結構，橋梁的支撐強度也會因此打折扣，安全問題不容忽視（見圖 4）。

圖4 鋼拱架拆卸裝置的主視結構示意圖

本文所述的鋼拱拆卸裝置較之于現有的技術，大有不同，且效果顯著。本鋼拱架拆卸裝置，操作平臺通過兩條吊索懸掛在吊梁上，在行走機構上水平設置吊梁，行走機構可沿拱圈的第一軌道運動，行走機構運動時，帶動操作平臺沿拱圈設置方向運動。

拆卸鋼拱架時，操作平臺在鋼拱架下方通過行走機構帶動拆卸。施工人員位于操作平臺上，由于操作平臺兩端伸出拱圈外，拆除待拆鋼拱架，拱架通過施工現場的升降裝置到達存放處，無需在拱圈上打孔，拆卸過程方便安全，橋梁結構不會因此受到破壞和影響。

7 結論

通過反復試制、試驗、改進研究，鋼拱架拱腳定位裝置、拉繩微調裝置、合攏段安裝支架、鋼拱架拆卸裝置等工裝的研發與成功應用，提高了拱橋的施工效率，保證了施工質量。該系列工裝設備的研發，提高了拱橋施工綜合水平，全面推廣應用后，將創造更加良好的經濟效益和社會效益。