大跨鋼桁拱橋斜拉扣掛懸臂法施工技術

田唯，由瑞凱，周仁忠（.中交第二航務工程局有限公司，湖北　武漢　430040；2.公路長大橋建設國家工程研究中心，北京　00088；3.長大橋梁建設施工技術行業(yè)重點實驗室，湖北　武漢　430040）

大跨鋼桁拱橋斜拉扣掛懸臂法施工技術

田唯1，2，3，由瑞凱1，周仁忠1，2，3
（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢430040；2.公路長大橋建設國家工程研究中心，北京100088；3.長大橋梁建設施工技術行業(yè)重點實驗室，湖北武漢430040）

大跨鋼桁架拱橋采用斜拉扣掛懸臂法施工，其結構受力和施工工藝極其復雜，施工難度大。針對國內采用斜拉扣掛懸臂法施工的主要大跨鋼桁拱橋中的總體施工方案、體系轉換工藝技術、線形控制技術、主桁拱和剛系桿合龍技術、斜拉扣掛系統(tǒng)施工技術進行總結、對比分析研究。得出針對不同情形的施工工藝和方法。

大跨鋼桁拱橋；懸臂法；斜拉扣掛系統(tǒng)；線形控制；合龍方法

0　引言

鋼桁架拱橋相對于其他橋型具有外形雄偉壯觀、跨越能力大、承載能力高等優(yōu)點。90年代后期我國開始修建不少鋼桁架系桿拱橋，修建的方法包括支架法、纜索吊裝法、大節(jié)段整體提升吊裝及斜拉扣掛懸臂法等，其中采用最多的是斜拉扣掛懸臂法。如2005年建成的萬州長江鐵路大橋為（168+360+168）m三跨單拱連續(xù)鋼桁梁橋，采用由兩岸向跨中架梁吊機懸拼，中跨架設輔助以斜拉扣掛系統(tǒng)，是我國首座采用斜拉扣掛懸臂法施工的大跨鋼桁拱橋[1]。2009年建成的南京大勝關長江大橋主橋為（108+192+336+336+192+ 108）m連續(xù)鋼桁拱（如圖1），為世界最大跨徑六線高速鐵路鋼桁拱橋，中跨合龍創(chuàng)新采用“縱移+調索”技術，解決了大懸臂狀態(tài)下三主桁空間結構合龍的技術難題[2-3]。2009年建成的朝天門大橋為（190+552+190）m三跨連續(xù)鋼桁系桿拱橋（如圖2），為世界第一大跨公路鋼桁拱橋，主拱合龍創(chuàng)新采用預偏位移補償+頂落梁法，避免大噸位整體移梁施工，剛性系桿合龍采用施加臨時系桿法，減小了施工風險[4]。2015年建成的珠海橫琴二橋為（100+400+100）m三跨連續(xù)鋼桁系桿拱橋，剛性系桿合龍創(chuàng)新采用限位中支座法，不需架設臨時系桿，無需頂推中支座而使剛性系桿順利合龍[5]。

我國在大跨鋼桁架拱橋施工上已取得了豐富的經驗和成果，施工技術也達到了世界領先水平，但至今還沒有對大跨鋼桁拱橋施工技術進行系統(tǒng)總結研究。大跨鋼桁架拱橋結構和受力極其復雜，施工工藝繁多，不同具體結構施工方法上也有較大差異，迫切需要對此進行系統(tǒng)總結研究，為我國今后同類橋梁施工提供借鑒參考。本文以國內這幾座主要的采用斜拉扣掛懸臂法施工的大跨鋼桁拱橋施工為背景，就總體施工方案比選、關鍵工藝和體系轉換、線形控制、主拱合龍、剛系桿合龍、斜拉扣掛系統(tǒng)施工等關鍵技術進行總結性探討。

圖2　朝天門長江大橋總體施工方案圖Fig.2　General construction scheme for Chaotianmen Changjiang River Bridge

1　總體施工方案的選擇

總體施工方案的優(yōu)劣，決定著大橋能否順利成功修建。針對現場橋位條件以及主橋結構形式特點，對施工方案比選研究至關重要[6]。以珠海橫琴二橋為例：因橫琴二橋主橋跨洪灣水道，航道等級為I級，通行3 000噸級海輪，交通流量繁忙，因此支架施工法不可行；采用大節(jié)段吊裝，主桁拱吊高高達120 m，一般浮吊均難以滿足要求，且采用大型浮吊作業(yè)，需對航道封航，難以實現；若采用纜索吊裝法，則需建造龐大的塔架和復雜的纜索系統(tǒng)，現場作業(yè)區(qū)域難以滿足，又因橫琴二橋地處臺風多發(fā)區(qū)域，大型纜索吊系統(tǒng)在臺風期穩(wěn)定安全性難以保證。針對橫琴二橋為三跨連續(xù)鋼桁拱橋，且為栓接結構，宜采用斜拉扣掛懸臂法施工，即采用架梁吊機爬行懸臂吊裝架設桿件，中跨架設時再輔助以較輕巧的斜拉扣掛系統(tǒng)控制主桁拱內力。

大跨鋼桁架拱橋采用斜拉扣掛懸臂架設法主要涉及兩個問題：一是安裝起點比選問題，二是主拱合龍方式問題。前者中又包括兩種情況：一是以邊支點為起點，由邊跨往跨中安裝，此方案一般各需兩臺架梁吊機，設備費用要高。對于三跨拱橋如萬州長江大橋、朝天門長江大橋、珠海橫琴二橋一般都從邊跨往中間架設，在中間合龍。另一是由中支點往兩邊安裝。對于多跨拱橋如大勝關長江大橋，為滿足邊中跨結構平衡受力需要，以及多作業(yè)面同時開展以節(jié)省工期需要，中間孔采用由中支點向兩邊同時吊裝鋼梁。后者也分為兩種情況：一是拱梁并進，即中跨桁拱及剛系梁同步懸臂安裝至跨中合龍，該法優(yōu)點是桁拱和剛系梁同步合龍，可快速實現從大懸臂施工狀態(tài)到主結構系桿拱受力體系轉換，施工體系轉換次數較少，施工工期較短，如大勝關長江大橋。二是先拱后梁即先懸臂安裝桁拱至跨中，待桁拱合龍后，在中跨合適的位置安裝臨時系桿，形成系桿拱受力體系，再安裝合龍中跨鋼系桿。當跨徑較大，懸臂安裝力矩相對較大或橋位處風荷載較大導致拱梁并進穩(wěn)定性較差的情況下，則采用此法，如朝天門長江大橋、珠海橫琴二橋等。

2　關鍵工藝及其體系轉換

大跨鋼桁架拱橋采用斜拉扣掛懸臂施工，工藝復雜，體系轉換繁多，在整個過程中隨著鋼梁架設，結構體系也在相應變化。以朝天門長江大橋為例，如上圖2所示，其關鍵工藝和體系轉換技術如下：

2）中跨架設至大懸臂時，采用斜拉扣掛系統(tǒng)以控制主桁結構內力，此時要控制結構的傾覆安全性，需在邊支點處進行壓重，使得主桁抗傾覆系數滿足>1.3的要求。中跨架設時，中支點縱向固定，邊支點縱向約束釋放，為帶伸臂的簡支梁結構。

3）主拱合龍后，在主拱南北E17之間架設臨時系桿，為剛性系桿架設和合龍創(chuàng)造條件。此時結構體系為施工臨時狀態(tài)下的中跨局部帶系桿拱的三跨連續(xù)梁受力體系。

4）剛系桿架設及合龍過程中，為中部局部帶臨時系桿拱的三跨連續(xù)梁結構。剛性系桿合龍后，拆除臨時系桿，全橋結構體系由中跨局部帶臨時系桿拱的三跨連續(xù)梁轉化為中跨局部帶永久系桿拱的三跨連續(xù)梁受力體系。

體系轉換中，為對支點鋼梁進行頂推、頂升調節(jié)，需在邊中支點處布置相應頂推設備調節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括縱、橫、豎向千斤頂調節(jié)裝置。對于采用以中支點為起點安裝方式，如大勝關長江大橋（圖1），主要不同之處是需在初始中支點安裝時布置墩旁托架，在邊跨合龍前，將墩旁托架和鋼梁臨時固結，6號（8號）墩墩旁架托在邊跨鋼梁合龍后解除與鋼梁桿件的連接。7號墩墩旁托架在主拱架設前2個節(jié)間后對鋼梁的中線、高程精確調整，再與鋼梁間鎖定，在中跨主拱合龍后再解除。

3　主桁拱線形控制

目前鋼桁拱橋多采用栓焊結構形式，即桿件采用工廠焊接預制，再運輸至現場吊裝，高強螺栓栓接。其安裝線形主要由工廠制造線形（桿件長度和角度）決定，而桿件長度和角度主要由制孔精度決定。對吊桿的無應力長度計算要充分考慮實際中的荷載進行成橋計算得到成橋線形，以此為依據確定吊桿的無應力索長。另外工廠進行每次不少于3～4個主桁節(jié)間的短線滾動試拼裝，以檢驗制造線形是否滿足要求。

現場施工中主要是通過控制安裝拱度和橋面軸線來控制安裝線形。現場安裝中主要采取如下技術：

工程機械金屬結構的主要裂紋類型有軋制裂紋、焊接裂紋和疲勞裂紋。常見結構損傷包括裂紋、變形、腐蝕或磨損、連接失效等，其中裂紋所占的比例最高。同時工程機械金屬結構斷裂失效造成的危害極大，其主要受力構件如主梁、支腿一旦發(fā)生裂紋與擴展，將會造成起重機承載能力下降，并會導致局部失穩(wěn)甚至整機傾覆造成重大事故。圖4和圖5所示分別為液壓挖掘機和塔式起重機中部分裂紋形式的實際案例。

1）板縫控制：預拼及安裝時均先上15%的工作螺栓，并一般擰緊，初步消除板縫，防止出現扭轉現象。高栓施擰順序為從節(jié)點中心向四周輻射進行，節(jié)點板縫主要靠高栓初擰消除，初擰扭矩為終擰扭矩的50%，初擰完成后立即檢查板縫是否符合要求，不符合要求的應進行復擰。

2）栓孔重合度控制：栓孔重合度主要靠構件預拼及安裝時打入定位沖釘的直徑和數量來保證。構件預拼和安裝時，主桁節(jié)點按梅花形布置打入60%～70%定位沖釘，連接系打入50%的定位沖釘，確保節(jié)點栓孔重合度滿足要求，嚴格控制構件軸線。

3）懸臂安裝拱度控制：懸臂安裝時按照從下至上，先下平面后立面，盡快形成三角形穩(wěn)定結構，最后安裝上平面的原則進行。為保證拼裝拱度，節(jié)點連接沖釘打足后，安裝15%工作螺栓，每安裝至臨時墩和主墩上墩前應讓桿件前端處于懸臂狀態(tài)，前端節(jié)點與墩頂之間保持2～5 cm間隙。主桁桿件閉合，高栓100%終擰后，再完成墩頂抄墊，安裝下一個節(jié)間時支墩才開始受力。

4）高栓施擰進度控制：主桁節(jié)點高栓終擰進度不得落后拼裝部位2個節(jié)間，其他節(jié)點高栓終擰不得落后拼裝進度3個節(jié)間。施工前應制訂詳細的高強螺栓施擰工藝，并進行工藝試驗，每批高栓進場后，應對供應商提供的扭矩系數進行復驗，確保施工施擰質量。

5）軸線偏差控制：現場施工中由于支點高差及平面位置、構件安裝順序、不平衡荷載、節(jié)點板扭轉、陽光偏曬等因素均會引起橋梁軸線偏差。現場安裝時需盡量避免陽光偏曬等情況，并且每安裝一節(jié)則進行線形測試評估，一旦線形偏差較大，則需采取優(yōu)化高栓施擰順序等措施及時進行糾偏，防止安裝誤差累積發(fā)散。

4　主桁拱合龍

大跨鋼桁拱橋主拱合龍時，要使主拱合龍口順利合龍，需確保合龍口兩側的豎桿相互平行，上下弦桿豎向位移差、縱向位移差滿足合龍誤差范圍要求，為此調整合龍口方法有縱移調縱向誤差、頂落梁調高程誤差、調整索力以調整轉角和高程誤差等。對于三跨鋼桁拱橋和多跨鋼桁拱橋，其主桁拱合龍的方式和調整的方式有所不同。

1）三跨鋼桁拱橋主桁拱跨中合龍，如朝天門長江大橋，可采用預偏位移補償+頂落梁法合龍。桁拱中跨合龍實際上是鋼梁由懸臂外伸梁轉換成三跨連續(xù)梁的過程，可采取通過改變邊、中支點相對高差等措施，實現三跨連續(xù)梁跨中彎距、剪力和相對轉角均為零的合龍條件。通過頂落梁調整高程和轉角誤差，同時鋼梁向跨中縱移，調整合龍口縱向誤差。頂落梁方式可分為3種：一是中支點不動邊支點下降，如朝天門長江大橋和珠海橫琴二橋，邊支點分別預降2.3 m和0.9 m；二是中支點抬高邊支點不動，如萬州長江大橋；三是中支點和邊支點同時頂落。鋼梁縱移在時機上可分為2種情況：一是鋼梁合龍前時刻實測合龍口誤差，據此進行整體縱移。由于主桁拱合龍時結構為大懸臂狀態(tài)，還未形成穩(wěn)定體系，進行整體移梁存在一定風險。二是鋼梁初始架設時對鋼梁采用預偏補償所需調整的位移量，該方法要求前期計算至合龍工況，再進行倒拆分析至邊跨鋼梁架設初始時得出預偏量，如朝天門長江大橋，初始鋼梁架設時即往跨中預偏了0.85 m，作為主桁拱跨中合龍時的位移補償。同理珠海橫琴二橋初始架設時往跨中預偏了1.62 m。通過采用預偏位移補償，這兩座橋在主桁拱合龍時均不需整體移梁操作，大大減小了施工風險。

2）多跨鋼桁拱橋合龍方法，如大勝關長江大橋，采用“縱移+調索”合龍法，其縱向誤差調整主要靠鋼梁縱向整體移動，高程和轉角調整主要靠頂落梁加上扣掛系統(tǒng)索力調整。大勝關長江大橋合龍時在中跨和邊跨共4處合龍口，合龍順序為先邊跨再中跨。邊跨合龍時，6號（8號）墩按設計位置裝好并臨時鎖定，4號（10號）墩頂鋼梁下落560 mm，5號（9號）鋼梁頂升110 mm，鋼梁整體向6號（8號）墩縱移55 mm，消除兩端轉角和縱向位移誤差。為使4號（10號）墩頂鋼梁有下落空間，其墩頂支撐墊石先不澆筑，先安裝臨時支座。5號（9號）墩頂墊石先澆筑并安裝正式支座。邊跨合龍后，將4號（10號）鋼梁頂起，澆筑支撐墊石并安裝正式支座，5號（9號）墩落梁于正式支座。解除6號（8號）墩旁托架，并將鋼梁向跨中整體縱移150 mm，為主跨合龍創(chuàng)造條件。主跨合龍時7號墩鋼梁按設計位置安裝，保持7號墩鋼梁縱向位置不動，僅通過水平拉索調整合龍口位移和轉角；6號（8號）墩鋼梁通過縱向頂推支座調整合龍口縱向位移，合龍口豎向位移和轉角通過調整斜拉扣掛系統(tǒng)索力來實現。

5　剛系桿合龍

大跨鋼桁系桿拱橋通常設計為無推力拱，其推力靠柔性系桿和剛性主梁平衡，其中柔性系桿為體外柔性索（鋼絞線或平行鋼絲索），剛性主梁一方面起支撐橋面作用，另一方面起平衡推力作用，也稱為剛系桿。剛系桿合龍主要有如下幾種情況：

1）采用拱梁并進方法施工，在主桁合龍后立即實施剛系桿合龍。在拱梁并進狀態(tài)下，由于調整主桁拱合龍口消除主桁合龍口誤差，導致剛系桿合龍口存在誤差，且通常此時剛系桿合龍口誤差為負誤差，即合龍口間距比理論間距小，需將剛系桿合龍口張開。可通過釋放斜拉扣掛系統(tǒng)索力方法，外加剛系桿合龍口頂拉設施調整，萬州長江大橋和大勝關長江大橋則采用此法。

2）采用先拱后梁法施工，主拱合龍后，釋放中支座縱向固定約束，隨后在架設剛性系桿過程中，剛系桿合龍口逐漸加大，為減小合龍口誤差，通常采用兩種方法：施加臨時系桿法和限位中支座法（頂推中支座法）。

①施加臨時系桿法

如朝天門大橋，在主桁拱合龍后，如果直接架設剛性系桿，則隨著跨中恒載加大，主墩反力座設置難度大，斜拉扣掛系統(tǒng)索力和主桁結構應力都超過容許值，通過在跨中適當位置之間架設臨時系桿（如圖2所示），提前形成系桿拱體系平衡主桁拱的水平推力，為后續(xù)架設剛性系桿至合龍創(chuàng)造條件。

②限位中支座法

珠海橫琴二橋在主拱合龍后，釋放南中支座縱向活動約束，架設剛系桿至剛系桿合龍時，理論上僅需將南中支座縱向頂推5 000 kN，即可實現剛系桿合龍。實際施工中，將南中支座設計為縱向位置可調節(jié)的裝置（如圖3所示）。該裝置采用縱向設置若干個限位調節(jié)塊，根據需要增減限位調節(jié)塊數量，實現南中支座縱向位移量的調整。該裝置既考慮到主拱合龍時鋼梁預偏量調整，又兼顧了剛系桿合龍時位移調整量。在剛系桿合龍前，通過增減限位調節(jié)塊，將主墩支座限位在理論上剛系桿合龍時的主墩支座所處位置，則在剛性系桿合龍時，無需頂推中支座而使剛性系桿順利合龍。

圖3　橫琴二橋主墩支座結構形式圖Fig.3　Structural form of main pier bearing of the second Hengqin Bridge

圖4　橫琴二橋斜拉扣掛系統(tǒng)結構圖Fig.4　Structural form of cable inclined pulling and buckling system of the second Hengqin Bridge

6　斜拉扣掛系統(tǒng)施工技術

1）斜拉扣掛系統(tǒng)結構形式

斜拉扣掛系統(tǒng)一般由扣塔立柱、橫向聯系、扣索、錨索、錨箱組成。斜拉扣塔結構形式設計時主要考慮因素有扣塔的高度、扣錨索的布置形式、扣錨索的角度、最大控制力、扣錨索的張拉方法。圖4為橫琴二橋斜拉扣掛系統(tǒng)結構圖。表1列出了國內主要的鋼桁拱橋斜拉扣掛系統(tǒng)結構形式主要參數表。

表1　各橋斜拉扣掛系統(tǒng)參數表Table 1　Parameters for cable inclined pulling and buckling system of steel truss-arch bridges

從表中知，扣塔結構形式有雙H形格構立柱和鋼管式格構立柱。扣塔高度的確定主要由扣索的傾角、主跨的跨度決定。扣塔越高，拉索豎向傾角越大，扣塔豎向提升鋼梁的效果越好，對主桁結構受力越有利，但同時扣塔結構受力（豎向分力）要增大，且扣塔穩(wěn)定性越不利。綜合來看，扣塔高度與主桁半跨之比在0.3～0.4左右。扣錨索層數則根據主桁受力來確定，一般為1～3層。

2）扣錨索張拉技術

斜拉扣掛系統(tǒng)扣錨索有鋼絞線和平行鋼絲兩種形式。若采用鋼絞線體系，則宜采用單根張拉工藝，斜拉索的牽引、張拉比較方便，降低了設備要求。鋼絞線斜拉索張拉通常采用索力控制為主、索長控制為輔，一次張拉到位的控制方法，后期一般不再進行調索，即每束鋼絞線第一根為基準索，在基準索上裝有索力傳感器測試索力。通過充分考慮邊界條件變化、現場溫度、風荷載和臨時荷載的因素，計算出基準鋼絞線張拉值，其余鋼絞線以基準鋼絞線張力作為基準進行等值張拉，朝天門長江大橋和珠海橫琴二橋均采用此種方法。

若采用平行鋼絲體系，則適宜用整體張拉工藝，同時方便調索[7]。采用此法最大優(yōu)點是中間過程中調索比較方便，缺點是張拉設備比較笨重，需相應的吊裝設備。張拉時一般在下錨箱處張拉，采用“平衡、對稱、同步、分級”的原則張拉斜拉索至設計索力，萬州長江大橋和大勝關長江大橋均用此法。

7　結語

本文以國內幾座主要的采用斜拉扣掛懸臂法施工的大跨鋼桁拱橋施工為背景，對施工關鍵技術成果進行總結和探討分析，得出如下結論。

1）從總體方案上看，對單跨鋼桁架拱橋，適宜纜索吊施工，對于多跨拱橋，則適宜采用斜拉扣掛懸臂法施工。

2）主桁拱安裝線形，對于工廠焊接，工地栓接橋梁，其線形主要依賴工廠制造精度來保證，現場主要控制其安裝拱度以及橋面軸線。

3）主桁拱合龍技術中對于三跨拱橋，可采用預偏位移補償+頂落梁合龍法。邊跨鋼梁初始架設時往跨中預偏一定距離，邊支點預降一定高度，則在主拱合龍時僅需升降邊支點微調合龍口轉角即可實現主拱無應力合龍，無需大噸位整體移梁，大大減小了施工風險。對于多跨拱橋，可采用“縱移+調索”方法調整合龍口，其縱移時機上也可“預先”縱移。

4）剛系桿合龍中對于先拱后梁法，可采用施加臨時系桿法和限位中支座法。采用限位中支座法可將中支座設計為可增減調節(jié)限位塊的裝置，在合龍前根據需要增減限位塊，使主墩限位在合龍時所處理論位置，則合龍時無需頂推中支點。對于拱梁并進法施工，剛性系桿合龍可采用調整索力和千斤頂頂拉設施調整。

5）斜拉扣掛系統(tǒng)需根據結構受力要求布置。若后期需調索宜采用平行鋼絲拉索體系，若后期不需調索宜采用鋼絞線拉索體系。采用鋼絞線體系利用等值張拉法可使索力張拉均勻性更能得到保證。

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Construction technology of long-span steel truss arch bridge constructed by cantilever assembly method with cable inclined pulling and buckling system

TIAN Wei1，2，3,YOU Rui-kai1,ZHOU Ren-zhong1，2，3
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China; 2.National Engineering Research Center of Highway Bridges,Beijing 100088,China; 3.Key Lab of Large-span Bridge Construction Technology,Ministry of Transport,Wuhan,Hubei 430040,China）

Cantilever assembly method with cable inclined pulling and buckling system is usually used for long-span truss arch bridge construction.The complex structural mechanical behaviors and construction technology bring difficulties to the bridge construction.The construction technologies which are applied on several domestic long-span steel truss arch bridges are summarized,compared and analyzed,such as general construction scheme,system transformation processes,geometry control methods,unstressed closure of arch and rigid tie bar,cable inclined pulling and buckling system erection,etc.We obtained construction technology and methods for different situations.

long-span steel truss arch bridge;cantilever assembly method;cable inclined pulling and buckling system; geometry control;closure method

U445

B

2095-7874（2016）08-0062-07

10.7640/zggwjs201608015

2016-01-05

2016-02-29

田唯（1980— ），男，湖北武漢市人，碩士，高級工程師，從事橋梁工程建設及施工管理方面的研究。E-mail：70208513@qq.com