大跨度拱橋鋼拱肋臥-立組合式制造與施工技術

李國華

(中鐵上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436)

1 工程概況

鄭萬鐵路重慶段奉節梅溪河雙線特大橋主橋設計為上承式提籃拱橋結構，主跨340m橫跨梅溪河河谷，矢高74m[1-2]，主拱圈勁性骨架設計為鋼拱肋結構。鋼拱肋為變寬變高鋼桁拱架，主拱圈平面呈X形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段。從拱腳到拱圈分叉處由2肢單箱單室拱肋組成，拱頂合并為單箱三室截面，分叉段半幅采用3道橫梁連接，拱肋外緣高度由拱腳處的10m變至拱頂處的5m。拱軸z軸立面線形采用懸鏈線，y軸豎面整體內傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結構。拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m。拱肋主弦管尺寸為φ750×24，橫梁弦管尺寸為φ560×16，連接桿件、腹桿、其余連接件均采用4肢組合角鋼結構。梅溪河特大橋鋼拱肋用鋼量4 083.3t，弦管材質為Q390D，連接桿件及節點板材質為Q345D，填板及部分小型零件材質為Q235C。鋼拱肋結構模型如圖1所示。

圖1 梅溪河特大橋鋼拱肋結構模型

鋼拱肋采用纜索式起重機斜拉扣掛安裝施工[3]，纜索式起重機為纜扣分離、雙塔3跨結構，如圖2所示。

圖2 梅溪河特大橋斜拉扣掛系統

2 技術原理

所謂的臥-立組合式制造就是在單肢拱肋臥式“n+1”輪次連續匹配拼裝的基礎上[4]，將橫梁及拱頂合并段區域的上、下游單肢拱肋按廠制預拱度進行長線法立式匹配拼裝，通過單肢臥拼和整體立拼雙重線形控制，確保鋼拱肋節段廠內制造線形精度；并在試拼裝結束及時采集拱肋線形坐標數據，現場安裝時將試拼裝線形坐標轉換為現場放樣坐標，實現現場安裝復位廠內試拼裝線形，確保鋼拱肋高精度合龍。

3 施工工藝

3.1 拱肋加工節段劃分

根據現場吊裝設備起重能力合理劃分吊裝節段，分段位置避開節點等應力集中部位。并充分利用吊裝設備的起重能力，盡可能劃分大節段、減少吊裝次數。將橫梁、拱頂合并段區域相關橫向連接桿件與上、下游拱肋劃分為一體整體制作、整體運輸、整體吊裝。本橋鋼拱肋除拱腳預埋段及拱頂合龍段外，半跨拱肋共劃分為16個節段，全橋共計48個吊裝單元。節段1～11位于拱腳分叉段區域，節段12～16位于拱頂合并段區域。拱肋節段單節最大吊重150t、分叉段單側拱肋質量≤75t。梅溪河特大橋拱肋節段劃分如圖3所示，節段質量如表1所示。

圖3 梅溪河特大橋拱肋節段劃分

表1 梅溪河特大橋拱肋節段質量

3.2 單元件加工

1)主弦管加工 根據拱肋節段劃分方案，主弦管采用長度為1 000～2 500mm鋼管對接接長，拱肋的線形曲線采用以折代曲的方法形成[5]。鋼板經滾板機校平后，根據管節尺寸下料，并切割出直縫對接邊焊接坡口。將鋼板開好坡口的兩側預壓彎，利用卷管設備將鋼板卷制成所需直徑的鋼管，鋼板軋制方向與卷管方向相同。焊接管節縱向對接焊縫，探傷檢測合格后利用卷管設備進行復滾作業，直至管節圓度滿足規范要求。利用相貫線切割機切割管節之間對接相貫口，并在組裝平臺上劃線組焊接長主弦管，管節之間環形對接焊縫采用懸臂式埋弧自動焊焊接，焊縫檢測合格轉入拱肋拼裝作業區。詳細工藝如圖4所示。

圖4 主弦管加工工藝流程

2)連接系及節點板加工 連接系桿件根據施工圖長度進行切割下料。拼裝前，根據地樣組合桿件中心線，拼裝角鋼及其填板，點焊固定，尺寸檢查合格后焊接。相應節點板均采用數控下料，按零件套料圖排版，下料結束及時標記零件編號，并開出待焊坡口。

3.3 單肢拱肋臥式拼裝

1)臥拼胎架設計 結合監控單位廠制預拱度指令，轉換相應控制點坐標，三維放樣最終廠制拱肋線形。并根據拱肋豎面內傾結構特點及廠制線形進行臥拼胎架設計[6]，胎架設計為雙層型鋼結構，上、下層之間利用法蘭盤螺栓連接。胎架安裝時根據地樣定位安裝，并對其線形及結構尺寸驗收合格后投入使用，胎架結構如圖5所示。

圖5 臥拼胎架結構示意

2)拱肋節段臥拼 主弦管單元吊裝至胎架上，對準控制點地樣和標高，調整好線形，點焊固定。根據地樣控制點在鋼管上作出相應桿件的定位線，對線組裝節點環板及相應連接桿件。組裝相應桿件時在調整平面角度的同時保證節點環板平面鉛垂，定位好點焊固定，完成底層單桁片組裝。隨后安裝頂層胎架，按同樣的方式安裝頂層單桁片，并完成相應連接桿件的安裝。檢查各項控制點線形符合要求后在胎架上進行整體焊接。拱肋節段臥拼工藝流程如圖6所示。

圖6 拱肋節段臥拼工藝流程

3)臥式連續匹配試拼裝 拱肋節段組焊結束，按廠制預拱度進行試拼裝。試拼裝在原位胎架上進行，對各節段之間環口標高進行精確調整，并通過雙向調節匹配件對管口對接錯變量進行精確調整，必要時對局部進行火焰矯正。各項檢查尺寸檢驗合格后做好剛性固定，解鎖匹配件下胎轉運，進入下一輪次臥式拼裝工序(見圖7)。

圖7 拱肋臥式連續匹配試拼裝施工照片

3.4 拱肋整體立式拼裝

1)立拼胎架設計 由于拱肋節段通過臥拼結束，已形成穩定結構，立拼胎架設計為利用型鋼加工而成的支撐臺座，結構簡單，強度、剛度及穩定性滿足要求即可。立拼胎架結構如圖8所示。

圖8 立拼胎架結構示意

2)拱肋整體立式拼裝 將上、下游單肢拱肋節段分別吊至胎架上，通過吊錘線的方式將節段端口控制點對準地樣，調整好平面線形；測量端口和控制點標高，調節胎架墊高，從而調整好立面線形，重點監控節段端口線形。根據節點環板，并對準橫梁弦管地樣安裝橫梁弦管，調整到位后及時焊接橫梁弦管與主弦管之間的熔透焊縫。按地樣及控制點完成其余橫向連接桿件的組拼焊接，形成整體拱肋節段，如圖9所示。

圖9 拱肋立拼結構模型及施工照片

3)立式連續匹配試拼裝 由于所有拱肋節段在臥式拼裝時經過連續匹配試拼裝工序，立式試拼裝工序按成橋拱形對其進行驗證(見圖10)，通過坐標轉換，對所有控制點進行實際測量。若有偏差通過雙向調節匹配件對其進行重新修正，做好相應標記。并將最終試拼裝線形坐標信息記錄在案，為現場安裝放樣做好技術準備工作。試拼裝結束后解鎖匹配件，下胎轉運至存梁區域。

圖10 拱肋立式連續匹配試拼裝施工照片

4 安裝效果驗證

梅溪河特大橋在整個拱肋吊裝過程中，通過對廠內試拼裝時采集的線形數據進行現場橋位放樣坐標的轉換；并作為現場實施監控的主要依據，結合監控單位安裝指令聯合控制拱肋現場安裝線形，整個吊裝過程中，扣掛系統安全可靠，拱肋線形各項監控指標達標，完美實現高精度合龍。

5 結語

以梅溪河特大橋鋼拱肋加工制造施工過程為例，應用臥-立組合式制造施工技術，在單肢拱肋臥式拼裝的基礎上，將橫梁及拱頂合并段區域的上、下游單肢拱肋按廠制預拱度進行長線法立式匹配拼裝，通過單肢臥拼和整體立拼雙重線形控制，確保了鋼拱肋節段在廠內制造的線形精度。在現場安裝時將試拼裝實際采集的線形坐標轉換為現場放樣坐標，成功實現鋼拱肋高精度合龍。