大跨徑下承提籃式鋼箱系桿拱橋安裝技術

陳洪敏，趙 龍，杜 偉，張廣東，任炎權

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100007)

1 工程概況

S245渦河大橋主橋全長153.9m、橋寬40m(3.833m挑臂+3.2m拱梁結合段主縱箱梁+25.934m中間箱室+3.2m拱梁結合段主縱箱梁+3.833m挑臂)，一跨跨越渦河四級航道，為大跨徑下承提籃式鋼箱系桿拱橋。拱圈中心距橋面高度30m，矢跨比1∶5，主拱圈采用等截面雙片鋼箱拱。全橋從橋面上看兩拱圈均向內傾斜12°，風撐為掏橢圓孔的異形箱梁。主橋共有46根吊桿、8根系桿。渦河大橋主橋效果如圖1所示。

圖1 渦河大橋主橋效果

橋梁主跨橋面系采用正交異性鋼橋面板結構形式，橋面板厚18mm。橋面板由4根I形小縱梁進行支承，小縱梁梁高1 450mm，間距5.1m，鋼板厚20mm。小縱梁之間再設置U形加勁肋，U形加勁肋采用頂寬300mm、高280mm、底寬170mm的閉口肋，閉口肋的間距為0.6m。橫梁采用整板式橫隔板，分普通橫梁及吊桿區橫梁2種，其中吊桿區橫梁間距為6m，中間布置普通橫梁，距吊桿區橫隔板3m。主橋采用剛性與柔性組合系桿，即鋼縱梁結構，作為主受力結構承受拱圈的水平推力，同時也作為橋面系的加勁梁結構，其中鋼縱梁梁高2.2m、寬3.2m。兩側鋼縱梁內各設置4根體外預應力鋼絞線，組成結構的柔性系桿體系。橋面系立體結構如圖2所示。

圖2 橋面系立體結構

拱肋斷面為等截面箱梁，截面高2.35m，橫向寬1.85m。拱肋內部均采用I形加勁助，加勁肋高220mm，頂、底板加勁肋間距為450mm，腹板加勁肋間距為480mm。拱箱內，順橋向每隔2m設置1道橫隔板，橫隔板平面與拱軸線垂直，橫隔板中心采用挖空處理，便于后期檢修人員出入。挖空孔洞邊緣采用寬150mm、厚12mm鋼板包裹一圈進行加勁處理。在吊桿處另外設置吊桿加勁隔板，與吊桿軸線方向一致，加勁隔板厚25mm，加勁隔板中心預留1.0m空間，便于吊桿的錨固張拉。拱肋立體結構如圖3所示。

圖3 拱肋立體結構

2 現場安裝方案比選

2.1 安裝方案

根據渦河大橋施工環境和條件，對項目主橋安裝方案進行設計和比選，具體有以下4種安裝方案：①原位浮吊拼裝施工；②原位門式起重機拼裝施工；③纜索吊機拼裝施工；④頂推拼裝施工。

1)原位浮吊拼裝施工 原位浮吊拼裝施工如圖4所示，主橋上部結構吊裝采用先梁后拱施工方案，起吊設備采用1臺320t浮吊，臂長80m。即先安裝架設主橋鋼梁，待鋼梁安裝完成后，再安裝拱肋及風撐，并同步安裝吊索，精確調整索力及線形后，拆除支架。在主橋橋位上方搭設拼裝平臺臨時支架，支架采用鋼管貝雷梁結構，在跨中留有雙向30m通航孔，平板駁船運輸鋼梁節段至橋位處，利用浮吊按逐塊拼裝架設，完成橋面系鋼梁安裝，在鋼梁上搭設拱肋風撐支架，采用浮吊分別從兩端拱腳對稱安裝，至拱頂梁段合龍。

圖4 原位浮吊拼裝施工示意

2)原位門式起重機拼裝施工 原位門式起重機拼裝施工如圖5所示，主橋上部結構吊裝采用先梁后拱施工方案，起吊設備采用1臺75t門式起重機。鋼梁拼裝前在主橋左、右側搭設寬度45m門式起重機軌道支架，安裝門式起重機作為提升站及架梁吊機拼裝設備。安裝時主梁端橫梁采用管樁支架方式進行架設，標準梁段鋼梁采用貝雷梁及鋼管搭設節段梁的縱向支撐平臺方式進行架設。主橋鋼梁節段分幅采用駁船運輸至梁段吊裝孔，用門式起重機提升安裝，縱橋向由拱腳節段向跨中節段合龍。拱肋和風撐工廠加工完后，在鋼梁吊裝孔封閉前運輸至現場已安裝完成梁段上臨時存放，待剩余鋼梁安裝焊接完成后根據分段在現場架設支架，采用門式起重機分別從兩端拱腳對稱安裝，至拱頂梁段合龍。

圖5 原位門式起重機拼裝施工

3)纜索吊機拼裝施工 纜索吊機拼裝施工如圖6所示，主橋可采用先拱后梁施工方案，即在主引橋下部結構施工完成后，搭設纜索吊機系統和拱腳拼裝支架，安裝拱腳梁段并將兩岸梁段鋼絞線對拉固定，然后對稱安裝拱肋及風撐，同步安裝吊索直至合龍后，逐塊吊裝安裝鋼梁栓焊連接，配切法完成梁段合龍施工，最后安裝系桿預應力體系，完成張拉和最終調索，拆除纜索吊機系統。

圖6 纜索吊機拼裝施工

4)頂推拼裝施工 頂推拼裝施工如圖7所示。在臨岸一側陸地上搭設主橋鋼梁拼裝平臺和頂推支架，岸上頂推支架借助已完成的引橋承臺，拼裝支架個別借助已完蓋梁，搭設較設計主橋標高高出20cm的拼裝平臺，利用1臺跨徑46m、吊重50t門式起重機進行鋼梁節段安裝，橋面系安裝完成后搭設拱肋和風撐拼裝支架，逐段拼裝拱肋和風撐直至合龍，在拱梁支架設置鋼支撐，河道中設置3排頂推支架輔助墩，安裝15m前導梁，利用多臺連續步履機頂推過河至主墩墩位，拆除拱梁鋼支撐，張拉系桿和吊桿，完成體系轉換后成橋。

圖7 頂推拼裝施工

2.2 安裝方案比較分析

根據不同安裝方法所適應的施工環境及優缺點，對各安裝施工方案進行比較分析，如表1所示。

2.3 施工方案擬定

項目對主橋上部結構構造進行了細部研究，橋面系鋼梁為常規結構，直接搭設支架安裝便利，風撐為異形箱室結構，空間幾何尺寸復雜，不易于工廠化加工制造；考慮到現場高空作業拼裝難度將進一步加大，項目將中間部分拱肋和整個風撐在橋面鋼梁低支架上整體拼裝，降低拼裝支架高度，進一步減小安全作業難度和風險，通過提升架，將中間部分拱肋和整個風撐整體提升到位后，安裝合龍段拱肋，完成合龍施工。此種方法解決了異形風撐安裝難度和施工風險，在整體頂推施工的基礎上，結合風撐施工工藝，在同一座橋梁形成了部分提升+整體頂推法進行大跨徑下承式鋼箱系桿拱橋的獨創安裝工法。

渦河大橋施工關鍵階段如圖8所示，具體施工步驟為：主橋鋼梁擬采取在引橋10～14號墩位置由下至上(即先梁后拱)進行拼裝(地面起30m高以下的結構拼裝采用50t門式起重機吊裝、30m以上的結構吊裝采用240t汽車式起重機吊裝)，考慮到跨中78m的長拱與風撐高度較高、風撐制作難度大、與拱肋匹配難度大，故考慮跨中78m長的拱與風撐(700t)在橋面拼裝成整體，采用提升的方式整體提升到位，然后對稱焊接2m長拱肋嵌補段，最終實現合龍。主橋拼裝到位前，完成水中4排頂推支架臨時墩搭設；主橋拼裝到位后，安裝前導梁，對鋼梁和拱肋進行剛性連接支撐加固，拆除拱肋拼裝支架和提升支架，采用步履式起重機頂推方式，將主橋整體頂推到位，拆除前導梁、張拉系桿吊桿、實現成橋。

圖8 渦河大橋施工關鍵階段

3 施工模擬分析

3.1 有限元模型

根據主橋頂推施工流程，查找最不利工況進行分析，驗算鋼梁和臨時支架體系結構的強度、剛度、穩定性，保證施工方法的正確性和合理性， 為現場準確施工的指導依據。頂推施工過程中，共有14個施工工況，在階段CS1～CS14中，CS7，CS8，CS14分別為鋼梁后懸臂、前懸臂最大，為最不利工況(控制工況)，在3個工況下進行鋼梁及拱肋、支架體系的受力驗算。本橋采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立全橋模型，對橋梁整體頂推施工最不利階段進行仿真模擬。渦河大橋有限元分析模型如圖9所示。

3.2 計算結果

最不利施工狀況下主梁及拱肋的計算結果如圖10，11所示，渦河大橋提升、頂推施工過程中，最不利工況下的鋼梁和拱肋最大應力、剪力及變形均符合規范限值要求，受壓翼緣與縱向加勁肋區格、受拉翼緣與縱向加勁肋區格的鋼梁局部穩定性滿足規范要求，頂推過程中傾覆最不利工況下渦河大橋抗傾覆穩定性系數計算均滿足>1.3的限值要求。

表1 各安裝方案優缺點

圖9 渦河大橋有限元分析模型

圖10 施工過程鋼梁與拱肋的應力和剪力包絡圖

圖11 拱肋提升過程中對拉變形和提升受力驗算

4 結語

本項目主橋部分提升+整體頂推施工工法結合式安裝方案，能更好地結合實際工程需要進行綜合討論確定，變水上施工為陸地施工，引用先進的施工技術解決高空水上作業風險，減少鋼梁拼裝作業難度，為更好地實施質量進度管控提供了基礎平臺保障，通過測算，優化后的施工方案較原位拼裝法施工，在現場大臨結構措施費方面就節省近200萬元，具有顯著的經濟和社會效益。