無通航條件連續三跨下承式系桿拱橋拱肋安裝技術

段新鴿

(中鐵十六局集團第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 工程概況

石浦大橋為浙江省麗水市生態產業集聚區水閣至臘口公路的控制性工程，是銜接青田縣城西區和城東區的重要交通紐帶。橋梁跨越甌江大溪，橋址處為五里亭電站庫區，航道規劃等級為Ⅳ級，橋梁荷載等級為公路-Ⅰ級。全橋總長359.2 m，主橋為(74.1＋105＋74.1)m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。

橋址庫區常水位標高36.0 m，水深4～10 m，橋梁上游為開壇電站庫區，每年有端午、臺風兩主汛，汛期洪水漲幅較大，最高達6.0 m，洪水流量亦較大，橋下無陸地吊裝條件。

全橋拱肋截面為啞鈴形，主跨設置2道一字型風撐和4道K型風撐，邊跨設2道一字型風撐和2道K型風撐，拱肋主要參數如表1所示，整體模型如圖1所示。

圖1 整體模型

表1 拱肋參數 mm

拱肋矢跨比1/5，邊跨最大安裝高度14.95 m，主跨最大安裝高度21.3 m。拱肋及風撐均為Q345qC材質，拱肋鋼管卷制，采用 “以折代曲”工藝[1]，后期鋼管內壓注C50自密實補償收縮混凝土，風撐內不壓注混凝土。

2 拱肋節段規劃

2.1 節段劃分

拱肋節段劃分充分考慮設計要求、制作工藝、交通環境、吊裝方案及下部結構施工方案等因素。

結合現場環境條件，為滿足工程質量，拱肋節段在工廠弧形胎架上采用1＋1方式組拼[2]。制作加工后汽運至施工現場，再進行安裝。邊跨和主跨單根拱肋均劃分為9個節段(含拱腳預埋段)。

2.2 節段反力計算

安裝節段吊運于支架上未同已安裝節段連接之前，拱肋對兩端支架產生豎向力的同時還存在水平推力(水平合龍節段除外)，拼拱支架承受的荷載可通過幾何模型(如圖2所示)計算出豎向和水平力數值。將每個節段拱肋假定為斜直梁，根據幾何原理并通過CAD獲取角度參數，計算各斜直梁支座反力。

圖2 拱肋節段及反力計算模型

計算公式如下:

∑X＝0，則:RA×cos θ－G×sinα＝0

∑Y＝0，則:RA×sin θ－G×cosα＝RB

豎A＝RA×sin(α＋θ)

平A＝RA×cos(α＋θ)

豎B＝RB×cosα

平B＝RB×sinα

主跨拱肋各節段反力如圖3所示。

圖3 主跨拱肋節段反力示意

3 拼拱支架設計

支架總體采用格構式型鋼塔架，考慮滿足吊桿安裝空間需求，布置間距和吊桿間距相匹配，保證鋼管接頭位于塔架中心附近位置，塔架立柱HN350×175×7/11型鋼、立柱平面內布置間距3.0 m，平面外布置間距1.5 m，塔頂橫梁采用雙拼HN300×150×6.5/9型鋼。拱肋和塔頂橫梁接觸面墊坡橋鷹架弧形鋼墊板支座[3]，以保證斜面接觸均勻受力和橫梁局部穩定；兩側墊楔形鋼板進行側向穩固，底腳平聯采用HN300×150×6.5/9型鋼，柱間平聯采用125×10 mm角鋼沿塔高方向每4.5 m一道，以減輕塔架重量[4]，斜綴條采用120×10 mm角鋼(僅布置于平面外兩側)；支架各節點采用焊接連接，立柱底部焊接20 mm厚鋼墊板，每塊鋼墊板采用4個化學螺栓同系桿梁混凝土固定連接；對于高度大于5.0 m的塔架，采用一種塔架風撐[5]進行防風加固，風撐為拉壓型，呈八字形固定于中橫梁預埋鐵件上。塔架結構如圖4所示。

圖4 塔架結構

為確保支架安全穩定，采用MIDAS Civil對塔架進行結構應力和屈曲分析，取主跨最高塔架進行計算。拱肋自重荷載在安裝時為動載，取1.5倍動載系數。約束塔柱底部 DX、DY、DZ三個平動自由度[6]，塔架兩橫梁承受豎向荷載分別為186.55 kN、111.0 kN，平面內水平推力為13.65 kN，荷載工況組合依據自重、豎向力和水平推力按?公路橋涵設計通用規范?自動生成，1階屈曲模態[7]如圖5所示。

圖5 屈曲模態

經計算支架1階屈曲特征值為10.16，最大組合應力發生在頂橫梁跨中位置，數值為86.2 MPa，小于規范容許強度215 MPa要求，滿足強度和穩定性要求。

4 拱肋安裝

由于橋址位于庫區，上下游均為電站，受船閘噸位限制，無浮吊設備進場交通條件。結合橋梁系桿梁現澆支架，采用穿巷龍門吊進行吊裝施工的方案，龍門吊基礎設置于系桿梁施工支架貝雷梁上。

4.1 設備安裝

根據安裝節段最大重量和主跨最大吊裝高度，選用DCS60-25 A3型龍門吊，最大吊裝高度25 m，跨度29.35 m。最大起吊重量為主跨一字型風撐，重量為160.4 kN。

(1)龍門吊基礎采用兩片加強型321貝雷梁，貝雷中心間距22.5 cm，布置在系桿梁外側，同系桿梁支架貝雷梁通過定制支撐架連接。貝雷梁下部為主橋現澆支架橫梁和鋼管樁，貝雷梁一般跨度為12 m，最大跨度為15 m。龍門吊軌道同貝雷梁之間采用“一種基于貝雷梁龍門吊扣軌裝置”[8]通過定制的扣板進行連接，扣板每塊長度149 cm，安裝時預留1 cm間隙逐塊固定于貝雷梁頂面。扣板結構及連接如圖6所示。

圖6 扣板結構及連接(單位:mm)

為保證施工安全，施工前選取邊跨近岸處，采用混凝土預制塊對支撐貝雷進行分級加載的方式預壓，以檢驗基礎支架體系的剛度、強度、穩定性[9]，預壓荷載為龍門吊自重＋最大施工荷載，荷載系數取1.2。

(2)由于龍門吊安裝位置較高，橋梁兩側為水域，安裝時設置纜風措施困難，且安全保障性差。利用邊跨近岸水深較淺條件，填渣筑島形成場地，采用“一種龍門吊高處整體安裝方法”進行安裝[10]。

龍門吊采用先梁后腿“逆作法”進行安裝，即先行在橋下臥拼橫梁和支腿，拼裝好的橫梁用汽車吊安置于高處系桿梁上，以平行錯位方式懸掛安裝兩端支腿。對接完成后，兩端支腿呈懸掛狀態，再用兩臺汽車吊整體抬吊，底端超出系桿梁頂再平移至安裝位置，下放就位。龍門吊安裝順序如圖7所示。

圖7 龍門吊安裝順序示意

4.2 拱肋安裝順序

為了滿足設計線形和安裝對接精度要求，拱肋節段制作后需要在加工場地放長線大樣，進行節段拱肋預拼，預拼無誤達到設計及規范要求后出廠安裝。

龍門吊高度受控于主跨安裝高度，全橋安裝施工順序為邊跨－邊跨－主跨，避免了從橋一端取物吊運高度空間不足的問題；單跨安裝遵循前后、左右側對稱同步原則，先拱肋、后風撐。風撐在兩側拱肋合龍后進行，風撐安裝順序為先中間、后兩端。

4.3 線形及預埋件控制要素

鋼管拱拱腳預埋鋼管安裝是整個橋梁拱肋線形的“首發”姿態，是全橋施工的關鍵，需嚴格控制其安裝三維坐標。同時在拱腳澆筑完成后，要進行精確復測，為后續節段加工安裝提供參數調整依據；拱肋和拼拱支架均為鋼構件，尤其拱肋為長線形鋼結構，溫度敏感性很強，安裝時間需要規劃，按照設計合龍溫度要求并在氣溫穩定時段統一安裝、統一時間測量。

鋼管拱肋中吊桿索套管除需要在下料、放樣、焊接環節加強控制其精度外，在拱肋安裝過程中還需要考慮拱肋安裝誤差積累對其位置的影響，以及系桿梁混凝土預應力張拉應變、收縮徐變和溫度等因素[11]，預埋索套管在安裝前需要精確測量下部系桿梁對應預埋索套管平面位置，及時進行微調整匹配。

5 內法蘭連接

根據?公路鋼管混凝土拱橋設計規范?(JTG/T D65—06—2015)鋼管拱肋要求采用內法蘭臨時連接，在需要連接的拱肋接頭處兩端設置內法蘭裝置。內法蘭由肋板、法蘭盤及連接螺栓等組成，不設合攏湊合段[12]，如圖8所示。在普通節段連接時通過吊裝設備進行安裝，調節拱肋姿態，法蘭對接，螺栓穿孔組合等工序完成。而在合龍時，會出現比傳統方法更為困難的情況，螺栓連接需要無間隙緊貼，否則會改變設計合龍時鋼管拱肋的應力狀態，但如果完全無間隙就會出現合龍節段無法進入安裝空間的矛盾。

圖8 內法蘭結構

將合龍節段一端的內法蘭不固定并回縮至管內一定長度，另一端按設計提前固定到位，合龍段進入安裝空間后，將固定好的內法蘭同已安裝的節段內法蘭進行固定連接。連接好后，合龍段合龍處活動內法蘭同相鄰內法蘭采用長螺栓緊固，并逐個替換成永久性連接螺栓。完成后，等待合龍溫度達到(20±2)℃設計規定要求條件時，布置多人環向間隔對稱完成活動內法蘭肋板同拱肋鋼管內壁焊接，完成合龍，最后完成外包對接管的焊接工作。

6 結束語

利用龍門吊高處整體安裝方法和穿巷龍門吊實現了無通航吊裝條件連續三跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋拱肋安裝施工，方法穩定可靠、便捷經濟。對拱肋節段合理劃分是進行吊裝設備選型、保證施工安全的關鍵；同時加強拱肋線形控制、預埋構件位置控制、焊縫質量檢測、溫度觀測、合龍時機把控等都是保證工程質量、運營安全的重要工作。