中承式鋼桁拱拱上爬行吊機懸拼施工方法

林國強，蔣昌盛

(廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

中承式鋼桁拱橋是一種頗具美感的橋型，是力學與美學完美結合的產物，具有較大的跨越能力，能減少水中作業，保證航道寬度，減少環境污染，增添城市景觀。中承式鋼桁拱橋的上構安裝通常采用纜索吊裝法、轉體法、拱上吊裝法等無支架施工方法。其中，拱上爬行吊機懸拼施工方法在近些年迅速發展，成為主流施工方法。

本文以朝天門長江大橋主橋上構鋼桁拱無支架懸拼法為案例，總結形成特大跨度鋼桁拱桿件拱上爬行吊機懸拼法，并對本施工方法的特點、工藝原理和操作要點等進行闡述。本施工方法以1 000 t·m塔吊在膺架上安裝邊跨的部分節段，作為拱上爬行吊機的起始平臺，安裝調試拱上爬行吊機，再用拱上爬行吊機安裝邊跨和中跨的其他構件。在安裝過程中，通過扣塔和扣索來調整懸拼拱桁過程中的桿件內力以減少懸臂端下撓量，同時通過支座位移來抵消懸拼拱桁跨中撓度，實現拱桁無應力合龍。

1 工程概況

朝天門長江大橋上部結構為中承式鋼桁系桿拱橋，跨徑為(190+552+190)m組合，主橋長934.1 m，橋梁全寬36.5 m，鋼桁寬29 m，上層為雙向六車道和人行道，下層為7 m寬的汽車道+雙線城市軌道交通+7 m寬的汽車道。拱肋下弦桿采用二次拋物線，矢高128 m，上弦桿中間部分采用二次拋物線，與邊跨上弦采用半徑700 m的圓曲線相切連接[1]。拱頂至中支點高差為140 m。鋼桁拱肋桁高為12～74 m。全橋布置上下兩層系桿，間距為11.83 m，系桿采用“H”形、“王”形斷面鋼結構+體外預應力索。主橋立面如圖1所示，爬行吊機立面如圖2所示。

圖2 爬行吊機立面圖(cm)

2 拱上爬行吊機懸拼法的特點

(1)拱上爬行吊機施工具有起重能力大、適用性強和施工速度快等特點。

(2)通過斜拉扣索可調整懸拼拱桁過程中的桿件內力并能減少撓度。

(3)通過支座位移來抵消懸拼拱桁跨中撓度，實現拱桁無應力合龍。

(4)對于高空作業安全性有保障，安裝質量可靠。

(5)滿足不同跨徑特別是大跨徑鋼桁架拱橋拱肋多節段安裝的需要。

注：從交界墩至跨中，主橋桁架節點上弦編號依次為1#至26#，下弦編號依次為E1至E26圖1 主橋立面圖(cm)

3 拱上爬行吊機懸拼法的適用范圍

拱上爬行吊機適用于大跨度鋼桁架拱橋的施工，尤其適用于跨越深溝峽谷、大江大河流域和海域，以及通航河道不能中斷、不方便搭設支架的拱橋施工。

4 拱上爬行吊機懸拼法的工藝原理

4.1 工藝流程(圖3)

圖3 施工工藝流程圖

4.2 總體施工步驟

步驟一：(1)主橋墩身施工注意預埋后錨，P6、P9墩施工至標高+236.307 m；(2)安裝邊跨臨時墩，兩岸各3個臨時墩，南邊跨臨時墩平面位置根據設計要求向跨中預偏650 mm；(3)在P6、P9墩安裝調試1 000 t·m塔吊，同時在P6、P9墩安裝臨時支座、頂升和限位裝置。

步驟二：(1)對P6、P9墩臨時支座、臨時墩進行復測，放出主橋邊跨1#～2#節間下弦節點坐標及軸線；(2)用1 000 t·m塔吊安裝邊跨1#～2#節間及分配梁。

步驟三：在1#～2#節間上弦安裝調試拱上爬行吊機，并進行各項試驗，確保各項參數滿足吊機工作條件。

步驟四：(1)用1 000 t·m塔吊安裝邊跨1#、2#臨時節間；(2)用拱上爬行吊機懸臂安裝邊跨3#～5#節間，完成NL2、SL2臨時墩墩頂抄平和支墊。

步驟五：(1)在兩岸NL3、SL3臨時墩上安裝鋼桁縱橫移裝置、限位裝置；(2)在懸臂安裝邊跨6#～9#節間，并進行實時監控，計算邊跨配重，用塔吊安裝配重塊，配重量約為57.3 t，對NL3、SL3臨時墩進行測量，并對墩頂進行抄平和支墊；(3)用1 000 t·m塔吊再次調試拱上吊機。

步驟六：(1)懸臂安裝邊跨10#～13#節間，并安裝邊跨配重，配重為235.9 t，完成P7、P8主墩墩頂調節及限位裝置，在P7、P8墩安裝中支座和E15節點，支座與節點進行連接；(2)調節裝置就位中支座和E15節點，安裝E14、E15下弦桿。

步驟七：(1)按先立面、再下平面、最后上平面的順序安裝14#節間的其他桿件；(2)繼續安裝至E19節點，利用NL3、SL3臨時墩及主墩頂布置調整桁梁位置以精確定位；(3)完成P7、P8墩支座底板壓漿。

步驟八：(1)進行第一次航道轉換，主航道基本位于跨中，航道寬度為180 m；(2)懸臂安裝中跨鋼桁至27#節間后，暫停鋼桁架設，在中支點正上方安裝扣塔；(3)扣塔規整安裝至一半高度時，安裝臨時扣索；(4)監測扣索索力，對邊跨進行配重，調節后錨力，使鋼桁拱標高符合設計及監控要求。

步驟九：安裝1#扣索，并初張拉，張拉力為扣索937.9 t、背索1 095.2 t。

步驟十：(1)進行第二次航道轉換，主航道基本位于跨中，航道寬度為120 m；(2)繼續架設南面中跨鋼桁至33#節間，(3)在這一過程中同步增加邊跨配重和后錨力，確保鋼桁的抗傾覆穩定系數>1.3。

步驟十一：(1)進行第三次航道轉換，主航道偏向南岸中跨已安裝節間的下方，航道寬度為120 m；(2)安裝南岸2#扣索，并初張拉，張拉力為扣索1 107.5 t、背索1 301.8 t。

步驟十二：(1)繼續安裝北面中跨鋼桁至35#節間，南面中跨鋼桁到36#節間；(2)根據設計、監控、氣象信息等選擇低溫無風的天氣條件，調整合龍段誤差。

步驟十三：觀察環境溫度變化，總結鋼桁因溫度產生的變形規律，利用臨時鉸等輔助措施，完成桁拱上下弦桿中跨合龍。

步驟十四：調節配重塊和后錨力，將邊支點預降值抬高1/4，調整中跨跨徑，安裝1/2的臨時系桿，調整索長和索力并錨固。

步驟十五：(1)安裝剩余1/2的臨時系桿，調整索長和索力后錨固；(2)將邊支點調整到低于設計高程1.2 m的高度，拆除斜拉索扣掛系統和配重。

步驟十六：(1)用爬行吊機安裝中跨系桿至跨中；(2)安裝體外系桿預應力索，進行初張拉，準備鋼結構系桿合龍。

步驟十七：(1)調整臨時系桿索力至4 566.1 t；(2)利用環境溫度引起的鋼結構系桿位移變化及在合龍段施加張拉力實現上下系桿合龍，拆除臨時系桿；(3)爬行吊機緩慢退至21#節間并鎖定。

步驟十八：(1)安裝橋面板；(2)進行橋面系和附屬結構施工，根據設計及監控要求調整系桿體外預應力；(3)進行成橋荷載試驗，準備交工驗收。

主橋墩及臨時墩標號如圖4所示。橋墩及扣索應力分布如圖5所示。

圖4 主橋墩及臨時墩示意圖

圖5 橋墩及扣索應力分布圖

4.3 主要工作要點

4.3.1 墩頂布置

(1)主橋上部鋼桁架梁懸臂安裝期間，采取在交界墩壓載配重的方式平衡懸臂端傾覆力矩[2]，中跨施工時邊支點提供的平衡力最大為3 200 t，計劃壓載+錨載達4 200 t，保證1.3倍的安全系數。

(2)為滿足鋼桁架梁位移調整需要，主墩頂的調節系統、限位系統是本橋的關鍵點之一，需要布置水平、豎向千斤頂，安全可靠的調節對保證鋼桁線形至關重要。

(3)為滿足鋼桁架縱橫移需求，在NL3、SL3臨時墩墩頂布置控制系統及限位裝置。

4.3.2 首節桁梁安裝

首節安裝前應先安裝大噸位塔吊，搭設膺架作為安裝邊跨1#、2#桁節的起重設備和就位支承平臺。

4.3.3 拱上爬行吊機

用塔吊將拱上爬行吊機安裝在1#、2#桁節形成的平臺上，并進行相關試驗，經有資質的部門檢驗合格后方能投入使用。拱上爬行吊機操作必須經過嚴格的培訓考試，制定嚴謹的操作規程，設置專門的技術人員指揮作業。

4.3.4 配重區

在邊跨安裝兩個臨時桁節，與1#、2#桁節一起作為壓載配重區[3]，分為上下兩層進行壓重，加重最大達到4 400 t。2 200 t壓重布置在上層，分布區域長48.8 m，每延米壓重45 t，2 200 t壓重布置在下層。中跨桁拱安裝過程中，根據需要分期進行壓重。

4.3.5 桿件安裝

(1)鋼桁架拱肋應按圖紙順序安裝，鋼桁架拱肋的拼裝拱度曲線應滿足設計及監控要求，除起始兩個節間，其余主桁構件均應在自由懸臂狀態下拼裝。

(2)鋼桁拱肋拼裝應按照從下至上、盡快形成三角形穩定結構的原則進行：立面→下平面→上平面。

(3)鋼桁架拱肋桿件拼裝時，為保證拼裝拱度，對拼接頭應按設計要求上足沖釘、工作螺栓和高栓，擰緊后才能松鉤。

(4)鋼桁架拱肋進行橫移調整之前，螺栓應終擰完畢，以防鋼桁拱肋受橫向水平力的影響，使軸線發生曲折[4]。

(5)應制訂詳細可靠的高強螺栓施擰方案，并進行工藝評定和工藝試驗。按評定標準要求的頻率和數量對每批高強螺栓進場時的扭矩系數進行復驗，確保不出現欠擰和超擰現象。

4.3.6 斜拉扣掛系統

(1)在主墩橋頭堡位置上下游各安裝一臺塔吊作為扣塔安裝起重設備。

(2)扣塔在鋼桁架拱肋桿件安裝到E20節點后開始安裝，安裝扣塔期間鋼桁架拱肋桿件停止安裝。

(3)扣塔搭設過程設置二道臨時風纜。

4.3.7 中跨合龍

(1)合龍安裝順序為：下弦桿與北E35節點連接→斜桿與北E35節點連接→等待溫度變化，觀察孔位移動，精確對位下弦和斜桿E36節點栓孔→上弦合龍下拉板→上弦合龍桿件與北A35節點連接→安裝上弦合龍上拉板→安裝千斤頂→內側連接板調整到位→千斤頂微調平面誤差→安裝上弦合龍臨時鉸→解除P8、P9墩支座臨時固定措施使支座滑動→等溫度變化精確對位A36節點栓孔→精確對位下弦和斜桿E36節點栓孔。

(2)以上每個工序打70%沖釘和30%工作螺栓，并擰緊。

(3)安裝平聯桿件。

(4)將全部的沖釘置換成高強螺栓，進行終擰，完成桁拱中跨合龍[5]。

4.3.8 臨時系桿安裝

(1)桁拱合龍后，用φ15.24 mm平行鋼鉸線在E17節點處安裝臨時系桿。每桁設計控制拉力為4 425.2 t，初張拉力為2 149.1 t。

(2)邊支點調至設計的預降值高程→安裝臨時系桿→完成初張拉→拆除斜拉扣掛系統→臨時系桿的拉力調為3 143.3 t。

(3)施工時對臨時系桿的索力進行監測，并根據需要對索力進行調整[6]。

5 結語

對于大跨度的鋼桁架拱橋，可靠的拱上爬行吊機懸臂拼裝施工方法，既經濟又安全，通過邊跨配重和邊支點后錨力來平衡主跨鋼拱肋，在中支點上方搭設扣塔并設兩組扣掛來調節平衡，從而節約了大量的鋼鉸線。

相反，纜索吊裝的吊重能力受到高度、跨度和扣索張拉施工工序的限制，超過700 m的纜索吊裝成本偏高，且施工過程中的安全因素極為復雜。

朝天門長江大橋的施工經驗表明，拱上爬行吊機懸臂拼裝施工方法具有較好的經濟和社會效益。本橋采用的“先拱后系桿”施工順序，為主拱合龍贏得了寶貴時間，在突然發生地震的情況下，絲毫未受到影響。該方法可以滿足“先拱后梁(系桿)”“拱梁(系桿)同步”兩大施工方式，為大跨度拱橋的修建提供了安全高效的選擇，為今后類似橋梁施工增加了有力的比選方案。