高速鐵路連續梁鋼管拱少支架法安裝技術

陳建濤

(中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

0 引言

我國首座鋼管拱橋是于1990 年建成的凈跨徑115m 的四川旺蒼東河大橋，由于其大大降低了拱橋下部結構與基礎的工程量以及造價，且造型美觀，在我國得到了迅速發展。雖然鋼管拱不斷刷新跨徑記錄，但200m 以下跨徑仍占半數以上，鋼管拱支架法安裝是常采用的方法。鋼管拱少支架安裝方法具有受力明確、結構合理、工藝簡單、節約時間和費用等優點，具有不可替代的優勢。

1 工程概況

綿瀘高鐵內江至自貢至瀘州線內江段內江三元沱江雙線特大橋主橋長572m，采用(70+3×144+70)m連續梁鋼管拱，分別跨越原成渝線內江東站、內椑路、內江污水處理廠、沱江。由預應力混凝土箱梁橋面、鋼管混凝土拱肋、鋼管拱肋橫撐及吊桿等主要受力構件組成，采用先梁后拱的形式成橋。

主拱拱肋兩端14.5m 范圍內為啞鈴型等截面，中間段落為空腔型式，截面高度3.2～5.1m；邊拱拱肋均為啞鈴型等截面，截面高度3m。主、邊拱計算跨徑均為144m，主拱計算矢高36m，邊拱計算矢高28.8m，主拱矢跨比1/4，邊拱矢跨比1/5。每跨兩拱肋間從拱腳至拱頂每邊對稱設置三道雙層K 撐，邊拱橫撐鋼管截面為φ600×25mm，主拱為φ800×16mm；邊拱斜撐鋼管截面為φ450×20mm，主拱為φ600×14mm。主拱和邊拱上下橫撐鋼管之間均設置三角形橫聯，橫聯斜桿截面為φ350×14mm。全橋共設間距8.5m 的吊桿84 根。本文以主拱為例進行論述。

2 臨時支架設計及搭設

2.1 臨時支架設計

臨時支架的立柱采用φ630×8mm 的焊接鋼管，順橋向設置在兩根吊桿中間，即間距8.5m，立柱間采用φ325×8mm 的焊接鋼管連接。支架之間設置縱向連接，縱向連接主肢及肢間均采用φ325×8mm 的焊接鋼管（詳見圖1-3）；支架組拼全部采用現場焊接。

圖1 臨時支架正視圖

圖2 臨時支架俯視圖

圖3 臨時支架側視圖

2.2 臨時支架受力計算

2.2.1 支架結構參數

臨時支架材料為Q235B，鋼材容重78.5kN/m3，彈性模量E=206GPa，抗拉強度設計值σ=215MPa，抗剪強度設計值τ=125MPa，若安全系數取1.48，則材料抗拉強度許用值[σ]=145MPa，抗剪強度許用值[τ]=84MPa[1]。

2.2.2 立柱計算

立柱φ630×8mm 鋼管回轉半徑i=219.92mm，截面面積A=15632.6mm2，截面系數W=2400392.8mm3。

立柱最大長度l0=32.6m，

長細比λ=l0/i=32600/219.92=148.2，

查表得ψ=0.346，

經計算，最大豎向壓力為 6# 立柱 N=321387.05N，

支架強度σ1=N/(ψA)=59.5MPa；

經計算，側向水平力最大為3# 立柱N0=124386.74N；

彎矩M2=FL=124386.74×18578.2=2.3×106N·mm；

σ2=M2/W=2.3×106/2400392.8=0.96MPa；

風載荷彎矩M3=10.6×106N·mm，

σ3=M3/W=10.6×106/2400392.8=4.4MPa；

σ合=σ1+σ2+σ3=59.5+0.96+4.4=64.9MPa＜[σ]=145MPa。

2.2.3 橫撐計算

主肢φ325×8mm 鋼管回轉半徑i=112.11mm，截面面積A=7967.1mm2，截面系數W=616241.3mm3。

長細比λ=l0/i=9000/112.11=80.3，

查表得ψ=0.778，

橫撐受到剪力V1=N(fy/235)-2/85ψ=321387.05/(85×0.778)=4860N，

σ=N/(ψA)=4860/(0.778×7967.1)=0.78MPa＜[σ]=145MPa。

臨時支架強度和剛度滿足要求。

2.2.4 邁達斯建模計算

通過建模（圖4）計算，臨時支架支反力最大為59.5t；最大應力發生在支架立柱為106.11MPa；最大側向位移為41mm≤[f]=H/400=32600/400=81.5mm，剛度滿足要求[2]。

圖4 臨時支架計算模型

經計算支架滿足設計要求。

2.3 臨時支架搭設

連續梁施工時，提前埋設臨時支架預埋件。在梁面測量放樣橋梁中心線及跨中橫橋向中心線，以此為基準放樣標示出支架中心點及預埋件（圖5）安裝位置，進行預埋件布設。

圖5 臨時支架基礎示意圖

在后場進行臨時支架單元件的組拼，包括立柱、橫梁、橫向連接件等；單元件焊接牢固后，轉運至施工現場用75t 汽車吊進行吊裝。利用基礎預埋件上的標記準確定位立柱，將立柱與預埋件間的間隙修整完成后牢固焊接。再安裝支架分配梁，最后安裝調整墊座。墊座安裝應較設計位置低約1cm，待拱肋安裝時抄墊調整鋼板。為防止應力集中，所有連接部位焊接加筋板補強。在每兩個節段連接口處拱肋底搭設臨時作業平臺（圖6），四周圍護防護欄桿，并設置爬梯方便作業人員上下[3]。

圖6 作業平臺示意圖

3 鋼管拱安裝

3.1 結構穩定性計算

采用MIDAS/Civil 建立（70+3×144+70）m 預應力混凝土連續箱梁模型（圖7），進行結構有限元分析。

圖7 箱梁計算模型

對臨時支架拼裝前的梁體結構進行分析，預應力混凝土箱梁在結構自重+預應力作用下的結構變形最大位移為17.74mm，發生在主跨跨中；主跨跨中上緣、下緣的壓應力分別為5.2MPa、8.3MPa；墩頂附近最大壓應力為12.1MPa（圖8）。

圖8 鋼管拱安裝前箱梁結構變形云圖(單位：mm)

在主跨鋼管拱肋合龍段吊裝時，在鋼管拱肋自重+臨時支架自重+2 臺75t 汽車吊自重+風載作用下，進行強度分析。主跨跨中位移31.3mm(↓)，相鄰邊跨跨中位移29.5mm(↑)；主跨跨中上緣、下緣的壓應力分別為7.6MPa、5.5MPa；墩頂附近最大壓應力為11.8MPa（圖9）。

圖9 主跨合龍時箱梁結構變形云圖(單位：mm)

綜上，在主跨鋼管拱肋安裝施工中，預應力混凝土箱梁結構強度滿足設計要求。

3.2 拱肋安裝

按照設計要求，主跨鋼管拱共分為17 個節段，其中1 個合龍節（圖10），最大重量11.63t，最大長度12.2m；3 個橫撐最大重量9.3t，最大長度13.7m。從拱腳至拱頂對稱安裝。

圖10 拱肋分段安裝示意圖

安裝前，將2臺75t汽車吊、1臺30t平板車用150t履帶吊吊至橋面，作為臨時支架和鋼管拱節段的吊裝設備。

首先用橋面汽車吊將安裝節段從橋下吊至橋面，再用平板車轉運至安裝地點。用75t 汽車吊將節段1安裝在臨時支架上，通過支架頂的千斤頂和導鏈葫蘆微調就位，線型滿足設計要求后焊接固定，再依次焊接各節段的接頭焊縫（圖11）。安裝時應進行全程線形監控，以保證每個節段線形調整至設計要求位置。

圖11 拱肋節段吊裝示意圖

按以上方法安裝節段2～3 后，吊裝橫撐節段的橫聯1 和斜撐1。以此類推直至節段8。

安裝合龍段之前，應對已安裝拱肋線形進行全天觀測，找出拱肋溫度控制變形量規律；根據觀測數據對鋼管拱肋合龍段長度進行修正；并在合理時間內安裝合龍段。

鋼管拱肋成型后拆除臨時支架上的調整墊座，按設計要求進行弦桿、綴板混凝土壓注，待混凝土強度達到要求后進行吊桿張拉。

4 支架拆除

4.1 臨時支架拆除條件

條件一鋼管拱環焊縫全部焊接完成，檢驗合格。

條件二拱肋內壓注的混凝土抗壓強度達到設計強度的100%，檢驗合格。

條件三周圍的障礙物清除完畢。

4.2 臨時支架拆除方法

一是臨時支架由跨中向兩端拆除。遵循“先支后拆、后支先拆”的原則，先卸落臨時支架與鋼管拱下弦管間的千斤頂、墊板等；觀測鋼管拱的沉降值，如達到設計要求即可開始支架拆除。

二是用火焰切割機將臨時支架立柱與其他部分分離。

三是人工配合汽車吊拆除鋼管立柱。先用汽車吊將鋼管輕輕拖住，再用氧炔從鋼管底將其與預埋鋼板分離，最后吊至橋面平板車上轉運出場[4]。

4.3 臨時支架拆除注意事項

一是拆除前，須由項目負責人組織安全負責人及現場負責人等聯合驗收合排查，消除安全隱患。

二是拆除前，撤離支架上方的施工人員，經現場負責人確認無其他人員。

三是拆除前，逐級做好安全技術交底工作，確保作業人員熟悉操作要點和安全注意事項。

四是對施工影響區進行圍擋，懸掛警示標志，嚴禁非作業人員進入。

五是鋼管拱支架拆除屬危大工程，應安排專職安全員全程盯控、嚴防死守。

5 結語

內江三元沱江雙線特大橋連續梁鋼管拱通過少支架法吊裝，并在施工中嚴格控制，安全、保質、如期圓滿完成，其成拱線形與設計完美匹配。在200m 以下跨徑的鋼管拱安裝中，少支架法安裝技術具有較高的實用價值和借鑒意義。