大跨度鋼桁架拱橋施工技術及質量控制研究

(中交路橋建設有限公司,北京 100027)

0 引言

我國及世界上，有不少典型的大跨度鋼桁架拱橋，如九江長江大橋、南京大勝關長江大橋、新河谷大橋、榜花橋等，這些工程都是在多種科學施工技術的綜合運用下被建設完成的，且施工階段的控制可對工程安全、工期、成橋線性和應力等產生重大影響[1]。

1 大跨度鋼桁架拱橋特點

總體而言，大跨度鋼桁架拱橋的特點如下所述：

（1）節間桿件的截面與鋼種可以依據受力大小而發生變化，具有良好的經濟性能。桿件大多是承受軸向力構件，可以較大化發揮材料本身的力學性能。

（2）因豎向剛度較好，故而可以充分滿足不同的行車需求。

（3）橋型雄偉龐大，外形柔和優美，可輕易與周圍景觀呈現出和諧美，是現代工業化風的一種良好體現。

（4）所用材料必須具有較好、較長的防腐性能，整體功能要具有較佳的抗疲勞性能。

（5）由于弦桿與腹桿具有一定自由度，且所受水平推力較大，故未完工工程的整體穩定性能較弱。

基于以上特點，大跨度鋼桁架拱橋施工方要嚴格遵守相關技術要求，并采用合適的控制方法與模型，及時評估工程質量與安全[2]。

2 大跨度鋼桁架拱橋施工技術

某鋼桁架拱橋為中承式拱橋，由桁架主拱圈、橋面梁系、吊桿及邊跨桁架梁組成，主要材料為Q345qD、Q345qE、Q370qE。

2.1 選擇施工方案與現場準備

本工程綜合考慮現場實際施工條件，采用纜索吊機施工，施工時須全方位考慮工程結構、水文地質條件、地形地貌、交通運輸狀況及其他施工環境等多類因素，以充分保障工程安全、質量與進度。吊機由大型有經驗的專業制造商按照工程具體要求專制而成。主墩墩身施工完成后，進行纜索吊機系統安裝與調試，并試吊。邊跨鋼桁構件，于過渡墩外側定點處起吊，在枯水期安裝。桁拱以纜索吊機全懸臂實現安裝，構件起吊至預定安裝位置后精確安裝。中跨桁拱合龍后，進行吊桿、橋面梁系及其他附屬設施。

工程石料可在橋區周邊地區的大型石料廠解決，普通鋼材與水泥可就地購買，主橋所用特殊鋼材與木材應從外地專業廠商處購買，以商品混凝土澆灌，工程用水直接利用城市供水及橋下水（指標符合規范要求）[3]。

2.2 構件制作、運輸及安裝

（1）制作。鋼桁構件應以設計、規范要求為依據，由專業廠家專門制作。全部構件都須進行電腦放樣，對構件尺寸予以嚴格核對，并畫出零件草圖、下料草圖、排版圖，各圖應將相關信息點標示明確、全面。鋼桁構件施焊時，應先評定鋼材對應焊接工藝，根據鋼材焊接所需電流、電壓、焊條、焊劑、焊接方式、焊縫層數、運條手法等，得到溫度對構件尺寸及變形的具體影響，而后制定科學、合理的焊接工藝規程，以正確指導構件生產，保障焊接安全與質量。焊接完成后，還要按照一定的驗收規范與標準嚴格、全面、及時檢查焊縫質量，一旦發現質量瑕疵，要及時進行處理。

（2）試拼。出廠前必須依照一定要求進行試拼，以精準檢驗結構的精度與線性。試拼采用臥式間隔節間法試拼兩側主桁，過程為：先用型鋼搭建試拼臺座四個，每臺座同時拼裝兩個節間，并于臺座周圍設置固定式測量平臺，以測量節點幾何尺寸與固定坐標值，而后將坐標值轉化為以起始節點為原點的相對坐標，并與理論坐標進行對照，以此檢驗構件精度與桁拱線性。試拼時，為提升效率，可在設計要求滿足的基礎上，進行間隔一節間試拼。

（3）運輸。構件試拼合格后，分類打包，方可出廠，并裝船、裝箱運輸。運輸到目的地后，利用桅桿吊機卸貨。本工程所處地點交通運輸網較為發達，施工材料、設備、設施可通過水路、公路、鐵路三種方式聯合運輸。

（4）預拼。構件預拼時，最好先將每節點的節點板預裝于第一根桿件上，因此要依照預計及現實安裝效率設置多個預拼臺座，臺座采用型鋼進行焊接。試拼及預拼過程中，為減弱損傷節點板與桿件摩擦，則不宜使節點板與桿件夾緊。

（5）邊跨支架及構件安裝。邊跨支架是為對應構件安裝提供支撐與輔助的，具體設置為：支架可采用嵌巖樁基礎，規格φ1500mm；單樁承載力設計為500t；承臺材質為鋼筋混凝土，厚2.0m；支撐立柱為鋼管，規格φ1000mm×20mm；每邊跨各設置5排支架，并以最大懸臂時荷載控制設計各排支架；鋼管一節為6-9m，連接方式為法蘭接頭，每排鋼管豎向每6m則設置一道φ600mm鋼管平聯；各墩之間設置一道萬能桿件作為縱向平聯。支架構件完成后，就可進行鋼桁構件安裝，安裝應盡量選擇枯水期，并在具體過程中合理確定施工進度，以保證支架基礎不被強水流沖刷。安裝時，要依據中跨桁拱合龍方式、支墩彈性變形、設計院提供的參數，確定出邊支點、臨時支墩、中支點初始坐標，設置適合的預拱度，并良好安裝桁拱合龍調節設備。

（6）斜拉扣掛與壓載配重系統。為增強懸臂梁剛度、減弱懸臂端下繞幅度，將桿件內力控制在合理范圍內，應在中跨桁拱懸臂安裝中，于懸臂端上安置由扣塔、斜拉索、鋼錨箱構成的斜拉扣掛，使其與懸臂梁共同受力。為確保桁梁傾覆穩定系數≥1.3，保證施工安全，則在鋼桁節段懸臂拼裝中，要對邊跨靠近過渡墩的特定桁節進行數量一定的壓載配重，配重材料為鋼材[4]。

（7）中跨桁拱安裝。中跨桁拱以纜索吊機安裝。基于安裝效率的考慮，應使用水上定位船，為緩解工程施工與河流航運矛盾，初步計劃使用400t方駁為定位船。中跨桁拱安裝注意要點有：1）合理預估是否要在洪水期或水位較高期間安裝中跨桁拱；2）安裝期間，要密切關注定位船吃水深度，以預防安全事故；3）當中跨桁拱安裝至一定節段具有較小懸臂形態時，應在合適時機聯測兩側桁拱高程及軸線，進而有效調整中支點高程及軸線誤差；4）扣塔與中跨桁拱安裝同時進行，為減小合龍難度，則要在桁拱安裝至一定位置時，依照實測高程調整斜拉索初始張拉力。

（8）吊桿、橋面梁系及其他附屬設施安裝。吊桿安裝以三種方法進行，具體為桁拱安裝同時以纜索吊機安裝、纜索吊機后安裝、以其他方式同時安裝橋面梁系與吊桿。若橋面梁系與吊桿未同時安裝，則可在主橋合龍與兩側引橋施工后，利用汽車吊機于上層橋面板上進行逐跨安裝。待橋面安裝結束后，便可安裝附屬設施。

（9）施工監測與控制。由于工程安全、整體安裝、成橋線形、合龍良好性等受多種因素影響，所以在確保各類技術方案嚴格執行外，還應當組建專門的監測部門或小組，制定細致的監測方案，對整體施工進行嚴密監測與控制，以保障工程質量，確保順利施工。主要的施工監測點有：特定合龍方式下給定支點預拱度、支座應力、典型斷面應力、最大受力桿件應力、斜拉索初始張拉應力及具體應力、桿件內力受溫度的影響、桁拱合龍等[5]。

2.3 中跨合龍施工

中跨合龍是大跨度鋼桁架拱橋工程體系完成轉換的關鍵，合龍方式及時機將直接決定構件受力、成拱線性、施工安全、工程效能等，中跨合龍施工關鍵點有：

第一，由于桁拱是空間桁架結構，本身就具有較強剛度，且桁拱線性已經具備基本樣態，因此中跨合龍線性控制主要以調整高度、軸線位置、合龍節段長度為內容，調節方式為邊支點調節法，通過下降邊支點、轉動中支點調節合龍節段口高度。

第二，桁拱周邊偏差大小是確定調節方式的依據。若偏差較小，則可以通過設置側向風纜，以桁拱側向變形進行調節。若偏差較大，則要在調節高程前，于邊支點位置設置側向頂升千斤頂，轉動中支點調節。

第三，中跨合龍應該選擇在日平均氣溫為16～v18℃、晝夜溫差相對較小的天氣或季節進行。

第四，合龍段要盡量在夜間或陰天安裝，以減弱陽光偏曬對合龍段的不利影響。安裝完成后，要以最快的速度解除中支點活動支座臨時固結[6]。

3 大跨度鋼桁架拱橋施工控制

3.1 施工控制方法與原則

結構分析方法有兩種，倒退分析和前進分析。以施工方案、施工順序選擇前進分析，分析內容為：桿件內力、懸臂位移、支點反力與位移、斜拉索初張拉力、斜拉索控制力、臨時系桿控制力等。前進分析的實現以有限位移理論為依據，利用兩個新節點間單元模擬同一施工段的新拼裝桿件，且實現過程是循環往復的。循環結前進分析不但可作為成橋結構受力、剛度驗算、結構強度的可靠性依據，還可用以確定施工理想狀態，為桁架拱橋施工奠定堅實基礎。

3.2 施工控制模型

施工控制應采用平面分析與空間分析兩種模型進行分析。平面分析模型，將主桁結構分為多個單元，以橋梁博士為輔助計算軟件，采用拱肋平面建模，并基于橫向聯系及施工荷載的影響，應用等效節點力方式。空間分析模型，以空間結構有限元分析為計算軟件，以設計施工圖、尺寸及有關材料為依據，利用空間梁、桿、索單元實現模擬建模，其中主桁桿件、主桁橫縱向聯系結、剛性系桿以梁單元模擬，體外預應力束、吊桿以桿單元模擬，扣塔斜拉索、臨時系桿以索單元模擬。通過以上控制模型，計算或測得相應數據，根據相關數據評價工程是否合格、安全、優質。

4 結語

綜上所述，為確保大跨度鋼桁架拱橋工程的使用效能、經濟效益、安全等，建設方要按照一定流程與標準應用相關施工技術，謹慎選擇施工方案，做好施工準備，實現良好構件制作、運輸及安裝，并采取科學控制手段，以避免工程誤差，有效完成相應項目建設。