無(wú)通航條件連續(xù)三跨下承式系桿拱橋拱肋安裝技術(shù)

段新鴿

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 工程概況

石浦大橋?yàn)檎憬←愃猩鷳B(tài)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)水閣至臘口公路的控制性工程，是銜接青田縣城西區(qū)和城東區(qū)的重要交通紐帶。橋梁跨越甌江大溪，橋址處為五里亭電站庫(kù)區(qū)，航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅳ級(jí)，橋梁荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。全橋總長(zhǎng)359.2 m，主橋?yàn)?74.1＋105＋74.1)m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。

橋址庫(kù)區(qū)常水位標(biāo)高36.0 m，水深4～10 m，橋梁上游為開(kāi)壇電站庫(kù)區(qū)，每年有端午、臺(tái)風(fēng)兩主汛，汛期洪水漲幅較大，最高達(dá)6.0 m，洪水流量亦較大，橋下無(wú)陸地吊裝條件。

全橋拱肋截面為啞鈴形，主跨設(shè)置2道一字型風(fēng)撐和4道K型風(fēng)撐，邊跨設(shè)2道一字型風(fēng)撐和2道K型風(fēng)撐，拱肋主要參數(shù)如表1所示，整體模型如圖1所示。

圖1 整體模型

表1 拱肋參數(shù) mm

拱肋矢跨比1/5，邊跨最大安裝高度14.95 m，主跨最大安裝高度21.3 m。拱肋及風(fēng)撐均為Q345qC材質(zhì)，拱肋鋼管卷制，采用 “以折代曲”工藝[1]，后期鋼管內(nèi)壓注C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，風(fēng)撐內(nèi)不壓注混凝土。

2 拱肋節(jié)段規(guī)劃

2.1 節(jié)段劃分

拱肋節(jié)段劃分充分考慮設(shè)計(jì)要求、制作工藝、交通環(huán)境、吊裝方案及下部結(jié)構(gòu)施工方案等因素。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，為滿足工程質(zhì)量，拱肋節(jié)段在工廠弧形胎架上采用1＋1方式組拼[2]。制作加工后汽運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，再進(jìn)行安裝。邊跨和主跨單根拱肋均劃分為9個(gè)節(jié)段(含拱腳預(yù)埋段)。

2.2 節(jié)段反力計(jì)算

安裝節(jié)段吊運(yùn)于支架上未同已安裝節(jié)段連接之前，拱肋對(duì)兩端支架產(chǎn)生豎向力的同時(shí)還存在水平推力(水平合龍節(jié)段除外)，拼拱支架承受的荷載可通過(guò)幾何模型(如圖2所示)計(jì)算出豎向和水平力數(shù)值。將每個(gè)節(jié)段拱肋假定為斜直梁，根據(jù)幾何原理并通過(guò)CAD獲取角度參數(shù)，計(jì)算各斜直梁支座反力。

圖2 拱肋節(jié)段及反力計(jì)算模型

計(jì)算公式如下:

∑X＝0，則:RA×cos θ－G×sinα＝0

∑Y＝0，則:RA×sin θ－G×cosα＝RB

豎A＝RA×sin(α＋θ)

平A＝RA×cos(α＋θ)

豎B＝RB×cosα

平B＝RB×sinα

主跨拱肋各節(jié)段反力如圖3所示。

圖3 主跨拱肋節(jié)段反力示意

3 拼拱支架設(shè)計(jì)

支架總體采用格構(gòu)式型鋼塔架，考慮滿足吊桿安裝空間需求，布置間距和吊桿間距相匹配，保證鋼管接頭位于塔架中心附近位置，塔架立柱HN350×175×7/11型鋼、立柱平面內(nèi)布置間距3.0 m，平面外布置間距1.5 m，塔頂橫梁采用雙拼HN300×150×6.5/9型鋼。拱肋和塔頂橫梁接觸面墊坡橋鷹架弧形鋼墊板支座[3]，以保證斜面接觸均勻受力和橫梁局部穩(wěn)定；兩側(cè)墊楔形鋼板進(jìn)行側(cè)向穩(wěn)固，底腳平聯(lián)采用HN300×150×6.5/9型鋼，柱間平聯(lián)采用125×10 mm角鋼沿塔高方向每4.5 m一道，以減輕塔架重量[4]，斜綴條采用120×10 mm角鋼(僅布置于平面外兩側(cè))；支架各節(jié)點(diǎn)采用焊接連接，立柱底部焊接20 mm厚鋼墊板，每塊鋼墊板采用4個(gè)化學(xué)螺栓同系桿梁混凝土固定連接；對(duì)于高度大于5.0 m的塔架，采用一種塔架風(fēng)撐[5]進(jìn)行防風(fēng)加固，風(fēng)撐為拉壓型，呈八字形固定于中橫梁預(yù)埋鐵件上。塔架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 塔架結(jié)構(gòu)

為確保支架安全穩(wěn)定，采用MIDAS Civil對(duì)塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和屈曲分析，取主跨最高塔架進(jìn)行計(jì)算。拱肋自重荷載在安裝時(shí)為動(dòng)載，取1.5倍動(dòng)載系數(shù)。約束塔柱底部 DX、DY、DZ三個(gè)平動(dòng)自由度[6]，塔架兩橫梁承受豎向荷載分別為186.55 kN、111.0 kN，平面內(nèi)水平推力為13.65 kN，荷載工況組合依據(jù)自重、豎向力和水平推力按?公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范?自動(dòng)生成，1階屈曲模態(tài)[7]如圖5所示。

圖5 屈曲模態(tài)

經(jīng)計(jì)算支架1階屈曲特征值為10.16，最大組合應(yīng)力發(fā)生在頂橫梁跨中位置，數(shù)值為86.2 MPa，小于規(guī)范容許強(qiáng)度215 MPa要求，滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

4 拱肋安裝

由于橋址位于庫(kù)區(qū)，上下游均為電站，受船閘噸位限制，無(wú)浮吊設(shè)備進(jìn)場(chǎng)交通條件。結(jié)合橋梁系桿梁現(xiàn)澆支架，采用穿巷龍門(mén)吊進(jìn)行吊裝施工的方案，龍門(mén)吊基礎(chǔ)設(shè)置于系桿梁施工支架貝雷梁上。

4.1 設(shè)備安裝

根據(jù)安裝節(jié)段最大重量和主跨最大吊裝高度，選用DCS60-25 A3型龍門(mén)吊，最大吊裝高度25 m，跨度29.35 m。最大起吊重量為主跨一字型風(fēng)撐，重量為160.4 kN。

(1)龍門(mén)吊基礎(chǔ)采用兩片加強(qiáng)型321貝雷梁，貝雷中心間距22.5 cm，布置在系桿梁外側(cè)，同系桿梁支架貝雷梁通過(guò)定制支撐架連接。貝雷梁下部為主橋現(xiàn)澆支架橫梁和鋼管樁，貝雷梁一般跨度為12 m，最大跨度為15 m。龍門(mén)吊軌道同貝雷梁之間采用“一種基于貝雷梁龍門(mén)吊扣軌裝置”[8]通過(guò)定制的扣板進(jìn)行連接，扣板每塊長(zhǎng)度149 cm，安裝時(shí)預(yù)留1 cm間隙逐塊固定于貝雷梁頂面。扣板結(jié)構(gòu)及連接如圖6所示。

圖6 扣板結(jié)構(gòu)及連接(單位:mm)

為保證施工安全，施工前選取邊跨近岸處，采用混凝土預(yù)制塊對(duì)支撐貝雷進(jìn)行分級(jí)加載的方式預(yù)壓，以檢驗(yàn)基礎(chǔ)支架體系的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性[9]，預(yù)壓荷載為龍門(mén)吊自重＋最大施工荷載，荷載系數(shù)取1.2。

(2)由于龍門(mén)吊安裝位置較高，橋梁兩側(cè)為水域，安裝時(shí)設(shè)置纜風(fēng)措施困難，且安全保障性差。利用邊跨近岸水深較淺條件，填渣筑島形成場(chǎng)地，采用“一種龍門(mén)吊高處整體安裝方法”進(jìn)行安裝[10]。

龍門(mén)吊采用先梁后腿“逆作法”進(jìn)行安裝，即先行在橋下臥拼橫梁和支腿，拼裝好的橫梁用汽車吊安置于高處系桿梁上，以平行錯(cuò)位方式懸掛安裝兩端支腿。對(duì)接完成后，兩端支腿呈懸掛狀態(tài)，再用兩臺(tái)汽車吊整體抬吊，底端超出系桿梁頂再平移至安裝位置，下放就位。龍門(mén)吊安裝順序如圖7所示。

圖7 龍門(mén)吊安裝順序示意

4.2 拱肋安裝順序

為了滿足設(shè)計(jì)線形和安裝對(duì)接精度要求，拱肋節(jié)段制作后需要在加工場(chǎng)地放長(zhǎng)線大樣，進(jìn)行節(jié)段拱肋預(yù)拼，預(yù)拼無(wú)誤達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后出廠安裝。

龍門(mén)吊高度受控于主跨安裝高度，全橋安裝施工順序?yàn)檫吙纾吙纾骺纾苊饬藦臉蛞欢巳∥锏踹\(yùn)高度空間不足的問(wèn)題；單跨安裝遵循前后、左右側(cè)對(duì)稱同步原則，先拱肋、后風(fēng)撐。風(fēng)撐在兩側(cè)拱肋合龍后進(jìn)行，風(fēng)撐安裝順序?yàn)橄戎虚g、后兩端。

4.3 線形及預(yù)埋件控制要素

鋼管拱拱腳預(yù)埋鋼管安裝是整個(gè)橋梁拱肋線形的“首發(fā)”姿態(tài)，是全橋施工的關(guān)鍵，需嚴(yán)格控制其安裝三維坐標(biāo)。同時(shí)在拱腳澆筑完成后，要進(jìn)行精確復(fù)測(cè)，為后續(xù)節(jié)段加工安裝提供參數(shù)調(diào)整依據(jù)；拱肋和拼拱支架均為鋼構(gòu)件，尤其拱肋為長(zhǎng)線形鋼結(jié)構(gòu)，溫度敏感性很強(qiáng)，安裝時(shí)間需要規(guī)劃，按照設(shè)計(jì)合龍溫度要求并在氣溫穩(wěn)定時(shí)段統(tǒng)一安裝、統(tǒng)一時(shí)間測(cè)量。

鋼管拱肋中吊桿索套管除需要在下料、放樣、焊接環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制其精度外，在拱肋安裝過(guò)程中還需要考慮拱肋安裝誤差積累對(duì)其位置的影響，以及系桿梁混凝土預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)變、收縮徐變和溫度等因素[11]，預(yù)埋索套管在安裝前需要精確測(cè)量下部系桿梁對(duì)應(yīng)預(yù)埋索套管平面位置，及時(shí)進(jìn)行微調(diào)整匹配。

5 內(nèi)法蘭連接

根據(jù)?公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范?(JTG/T D65—06—2015)鋼管拱肋要求采用內(nèi)法蘭臨時(shí)連接，在需要連接的拱肋接頭處兩端設(shè)置內(nèi)法蘭裝置。內(nèi)法蘭由肋板、法蘭盤(pán)及連接螺栓等組成，不設(shè)合攏湊合段[12]，如圖8所示。在普通節(jié)段連接時(shí)通過(guò)吊裝設(shè)備進(jìn)行安裝，調(diào)節(jié)拱肋姿態(tài)，法蘭對(duì)接，螺栓穿孔組合等工序完成。而在合龍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比傳統(tǒng)方法更為困難的情況，螺栓連接需要無(wú)間隙緊貼，否則會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)合龍時(shí)鋼管拱肋的應(yīng)力狀態(tài)，但如果完全無(wú)間隙就會(huì)出現(xiàn)合龍節(jié)段無(wú)法進(jìn)入安裝空間的矛盾。

圖8 內(nèi)法蘭結(jié)構(gòu)

將合龍節(jié)段一端的內(nèi)法蘭不固定并回縮至管內(nèi)一定長(zhǎng)度，另一端按設(shè)計(jì)提前固定到位，合龍段進(jìn)入安裝空間后，將固定好的內(nèi)法蘭同已安裝的節(jié)段內(nèi)法蘭進(jìn)行固定連接。連接好后，合龍段合龍?zhí)幓顒?dòng)內(nèi)法蘭同相鄰內(nèi)法蘭采用長(zhǎng)螺栓緊固，并逐個(gè)替換成永久性連接螺栓。完成后，等待合龍溫度達(dá)到(20±2)℃設(shè)計(jì)規(guī)定要求條件時(shí)，布置多人環(huán)向間隔對(duì)稱完成活動(dòng)內(nèi)法蘭肋板同拱肋鋼管內(nèi)壁焊接，完成合龍，最后完成外包對(duì)接管的焊接工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用龍門(mén)吊高處整體安裝方法和穿巷龍門(mén)吊實(shí)現(xiàn)了無(wú)通航吊裝條件連續(xù)三跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋拱肋安裝施工，方法穩(wěn)定可靠、便捷經(jīng)濟(jì)。對(duì)拱肋節(jié)段合理劃分是進(jìn)行吊裝設(shè)備選型、保證施工安全的關(guān)鍵；同時(shí)加強(qiáng)拱肋線形控制、預(yù)埋構(gòu)件位置控制、焊縫質(zhì)量檢測(cè)、溫度觀測(cè)、合龍時(shí)機(jī)把控等都是保證工程質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)安全的重要工作。