跨墩龍門在跨河橋鋼梁安裝施工中的應用

□文 /吳立波

隨著北京通州區被定位為北京市行政副中心，通州核心水系北運河上跨河景觀橋建設如火如荼，尤其采用鋼結構作為橋梁主跨上部結構的構造形式與日俱增，因此鋼構件的安裝也就成了橋梁施工的重要環節。縱觀類似跨河橋梁，跨越干涸的河道一般在河道修筑施工路采用吊車進行吊裝作業；跨越常年有水的河道一般在河道搭設臨時棧橋（支架），采用拖拉法、頂推法或平移法（對于等截面的鋼梁構件）進行安裝作業；而北京通州北關大道跨北運河大橋的橋跨結構為異形空間雙曲面鋼拱橋，由于其獨特的結構形式和特殊的地理環境，異形鋼拱橋構件的安裝按照上述方法均無法實施，故因地制宜，因勢利導創造性地采用了跨墩龍門進行吊裝施工。

1 工程概況

北關大道跨北運河橋梁位于通州運河核心區規劃北關大道跨北運河處，為“千荷瀉露”的梁拱組合橋。橋梁全長360 m，總面積17 266 m2；其中跨越主河槽的主橋長210 m，為30 m+40 m+70 m+40 m+30 m上承式鋼結構連拱橋。橋梁橫斷面形式復雜：主橋寬42.6～68 m；人行道寬度及流水平臺沿著橋梁縱向不斷變化；1#和4#墩處橋梁全寬為53.4 m；2#和3#墩處橋梁寬度全橋大，為68m。在步道及流水平臺變寬的過程中，各層步道高程逐漸分開，形成三層不同高度的步道。見圖1-圖3。

圖2 主橋三維平面

圖3 橋梁橫斷面

2 主橋鋼構件吊裝方法的選擇

主橋鋼結構為拱梁組合，橫斷面非等截面且橋梁跨越北運河主河道，因此鋼構件在施工現場的水平及垂直運輸成為難題。鋼構件造型奇特，采用架橋機無法進行安裝；非等截面構件也無法采用頂推、拖拉、平移等方法安裝；由于環保等因素制約，河道管理部門不允許在河道填筑土圍堰作為吊裝平臺；如搭建鋼棧橋作為吊裝平臺，費用巨大且占壓河道面積過大，汛期嚴重威脅行洪安全。

經調研論證，權衡利弊，確定鋼構件吊裝采用跨墩龍門。主橋跨越北運河主河道，河道水深2.2 m，先行在河道內修筑鋼棧橋，然后在棧橋上鋪設跨墩龍門軌道基礎，從而滿足跨墩龍門的作業條件。在搭設龍門吊基礎棧橋時，采用貝雷梁在上下游預留出通航孔道。這樣可以通過跨墩龍門實現鋼構件在吊裝過程中的水平及垂直運輸的，同時又保障了河道的暢通及汛期的正常安全行洪。

3 跨墩龍門的搭設

3.1 基礎形式設計

橋梁施工區域河底為50 cm厚鋼筋混凝土護砌。橋梁上下游棧橋呈對稱布置，棧橋鋼管柱采用直徑530 mm、壁厚14 mm的鋼管。鋼管樁橫向每排布設4根，間距為1.4 m+2 m+2 m；縱向間距為5.5 m。鋼管樁與河底護砌通過法蘭及錨栓連接。棧橋分配梁橫向采用雙拼36b工字鋼，縱向為單拼11根40b工字鋼，縱向分配梁上滿鋪2 cm厚鋼板，軌道采用43軌，鋼管柱之間采用12#槽鋼進行連接[1]。見圖4和圖5。

圖4 單側棧橋橫斷面布置

圖5 龍門吊棧橋

3.2 選型

通過分析，考慮龍門吊軌道設置距離棧橋內側邊緣1.25 m，確定龍門吊軌道間距為49.5 m，棧橋軌道頂高程為24.35 m。龍門吊主要參數：額定起質量35 t，大車運行速度0～10 m/min，小車運行速度7.26 m/min，起升速度0.93～1.17 m/min，龍門吊自質量89 t，龍門吊工作級別A3，整機功率34 kW，大車軸距6.5 m，小車軌距2 m，起升卷揚機型號JM5。跨墩龍門安裝2臺并通過同步器滿足協同作業的需求[2]。見圖6。

圖6 龍門吊總體結構

采用容許應力法，根據施工實際荷載情況對2 cm鋼橋面板、順橋向40b工字鋼、橫橋向36b工字鋼、12 m貝雷梁、530mm鋼管承載力、條形基礎、拱肋臨時支墩受力、鋼管棧橋整體穩定性以及龍門立柱、橫梁、吊裝用鋼絲繩、卡環、吊耳做了復核計算，均滿足要求。

4 跨墩龍門的吊裝工藝

4.1 基本原理

將跨墩龍門基礎延伸搭設至橋梁西岸引路區域，在引路區域搭設運鋼構件車輛可抵達的吊拼裝平臺；所有鋼構件均在此平臺通過跨墩龍門起吊并運輸至設計安裝位置進行組焊；根據鋼構件的具體重量等特征靈活選擇采用單臺跨墩龍門吊裝還是采用兩臺跨墩龍門協同吊裝。鑒于拱肋為空間雙曲面扭曲的奇特造型，為提高安裝精度與工作效率，構件吊點位置結合構件安裝就位后的實際空間姿態進行設計。利用鋼構件CAD實體模型，確定鋼構件的重心位置，選擇重心鉛直線與頂面交點作為合力點的吊點，以保證鋼構件起吊后空間角度與理論角度吻合。

根據拱肋為空間雙曲拱軸線的具體情況，曲面的拱肋形式大大增加了測量定位難度。測量定位方式的選擇、控制點的坐標計算和預偏值計算等至關重要。采用CAD三維建模的方式輔助測量坐標計算，通過控制分段位置四個角點坐標及高程進行定位。通過運用midas計算軟件輔助計算拱肋施工各工況下的受力狀態，確定合理的預高、預偏值，以保證拱肋最終安裝精度和成橋線形。見圖7。

圖7 拱肋定位控制

4.2 吊裝步序

鋼拱肋—拱間橫梁—立柱—橋面鋼箱—人行梯道。安裝組焊方向為由東岸5#墩位置開始依次向西岸吊裝。見圖8。

圖8 鋼結構安裝

北關大道跨北運河大橋主橋為五跨空間曲面連拱橋，橫斷面上布置7根拱肋，共計35根拱肋，均為鋼結構。拱肋均為矩形斷面，根據跨徑不同，拱肋位置不同，分為不同尺寸，不同板厚。為形成橋梁空間整體變斷面效果，將拱設置成面外彎曲空間拱，見圖9。為滿足受力要求，優化拱保證與橫梁、立柱的連接，同時降低梁高，將豎向拱進行橫向彎曲面形成空間拱，并非將進行水平推倒（剛體轉動）形成的推倒拱。拱間每10 m設置一道橫梁與各主拱肋連接，橫梁斷面為矩形,根據橫梁位置及跨徑不同，橫梁尺寸及鋼板厚度有所不同。

圖9 空間拱肋構造

由于主橋結構的特殊性，鋼構件吊裝步序在細節上又明顯區別于傳統鋼拱橋的安裝。

鋼拱肋吊裝的具體步序是順橋向從北運河東岸5#墩開始向橋西岸0#墩方向進行；橫橋向先吊裝中拱肋后依次對稱吊裝上下游兩側拱肋，待單跨拱肋吊裝完成后再吊裝鋼橫梁。單跨鋼拱肋及鋼橫梁吊裝完成后，進行鋼橫梁上立柱的吊裝；待鋼拱肋、鋼橫梁及鋼立柱焊接完成并張拉拱腳預應力后，進行鋼箱梁的吊裝。每塊鋼箱梁由兩臺跨墩龍門協同吊裝，順橋向安裝方向為由東向西，橫橋向安裝順序先中間后兩邊對稱進行吊裝并焊接成型。另根據監控單位的指令要求，鋼拱肋的吊裝組焊速度要至少比鋼箱梁超前一跨。待鋼拱肋、橫梁、立柱、鋼箱梁均完成吊裝后，最后進行人行梯道的安裝[3]。

4.3 跨墩龍門吊裝的優點

在跨越河道橋梁施工現場的水上敷設跨墩龍門并實現了鋼構件在X-Y-Z三維的運輸及準確就位，這是施工工藝質的創新，實踐性地促進了施工技術的進步；鋼構件在施工現場由龍門吊直接起吊卸車，節約了施工成本；跨墩龍門棧橋基礎兼做上下游施工便道，連通了運河兩岸極大方便了施工，顯著提高了生產效率；操作方便靈活的龍門吊在拱肋的合龍段施工時發揮了巨大作用；跨墩龍門促進衍生了重心法異性空間鋼構件定位技術，既實現了技術進步又大大提升了工作效率。

5 結語

結合北京通州北關大道跨北運河大橋涉河施工及構造特殊的具體情況采用跨墩龍門進行異形鋼拱梁安裝創新了施工工藝，成功解決了技術難題，為今后類似橋梁施工具有一定的實踐性指導意義。