中承式鋼桁拱拱上爬行吊機懸拼施工方法

林國強，蔣昌盛

(廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

中承式鋼桁拱橋是一種頗具美感的橋型，是力學與美學完美結(jié)合的產(chǎn)物，具有較大的跨越能力，能減少水中作業(yè)，保證航道寬度，減少環(huán)境污染，增添城市景觀。中承式鋼桁拱橋的上構(gòu)安裝通常采用纜索吊裝法、轉(zhuǎn)體法、拱上吊裝法等無支架施工方法。其中，拱上爬行吊機懸拼施工方法在近些年迅速發(fā)展，成為主流施工方法。

本文以朝天門長江大橋主橋上構(gòu)鋼桁拱無支架懸拼法為案例，總結(jié)形成特大跨度鋼桁拱桿件拱上爬行吊機懸拼法，并對本施工方法的特點、工藝原理和操作要點等進行闡述。本施工方法以1 000 t·m塔吊在膺架上安裝邊跨的部分節(jié)段，作為拱上爬行吊機的起始平臺，安裝調(diào)試拱上爬行吊機，再用拱上爬行吊機安裝邊跨和中跨的其他構(gòu)件。在安裝過程中，通過扣塔和扣索來調(diào)整懸拼拱桁過程中的桿件內(nèi)力以減少懸臂端下?lián)狭浚瑫r通過支座位移來抵消懸拼拱桁跨中撓度，實現(xiàn)拱桁無應(yīng)力合龍。

1 工程概況

朝天門長江大橋上部結(jié)構(gòu)為中承式鋼桁系桿拱橋，跨徑為(190+552+190)m組合，主橋長934.1 m，橋梁全寬36.5 m，鋼桁寬29 m，上層為雙向六車道和人行道，下層為7 m寬的汽車道+雙線城市軌道交通+7 m寬的汽車道。拱肋下弦桿采用二次拋物線，矢高128 m，上弦桿中間部分采用二次拋物線，與邊跨上弦采用半徑700 m的圓曲線相切連接[1]。拱頂至中支點高差為140 m。鋼桁拱肋桁高為12～74 m。全橋布置上下兩層系桿，間距為11.83 m，系桿采用“H”形、“王”形斷面鋼結(jié)構(gòu)+體外預(yù)應(yīng)力索。主橋立面如圖1所示，爬行吊機立面如圖2所示。

圖2 爬行吊機立面圖(cm)

2 拱上爬行吊機懸拼法的特點

(1)拱上爬行吊機施工具有起重能力大、適用性強和施工速度快等特點。

(2)通過斜拉扣索可調(diào)整懸拼拱桁過程中的桿件內(nèi)力并能減少撓度。

(3)通過支座位移來抵消懸拼拱桁跨中撓度，實現(xiàn)拱桁無應(yīng)力合龍。

(4)對于高空作業(yè)安全性有保障，安裝質(zhì)量可靠。

(5)滿足不同跨徑特別是大跨徑鋼桁架拱橋拱肋多節(jié)段安裝的需要。

注：從交界墩至跨中，主橋桁架節(jié)點上弦編號依次為1#至26#，下弦編號依次為E1至E26圖1 主橋立面圖(cm)

3 拱上爬行吊機懸拼法的適用范圍

拱上爬行吊機適用于大跨度鋼桁架拱橋的施工，尤其適用于跨越深溝峽谷、大江大河流域和海域，以及通航河道不能中斷、不方便搭設(shè)支架的拱橋施工。

4 拱上爬行吊機懸拼法的工藝原理

4.1 工藝流程(圖3)

圖3 施工工藝流程圖

4.2 總體施工步驟

步驟一：(1)主橋墩身施工注意預(yù)埋后錨，P6、P9墩施工至標高+236.307 m；(2)安裝邊跨臨時墩，兩岸各3個臨時墩，南邊跨臨時墩平面位置根據(jù)設(shè)計要求向跨中預(yù)偏650 mm；(3)在P6、P9墩安裝調(diào)試1 000 t·m塔吊，同時在P6、P9墩安裝臨時支座、頂升和限位裝置。

步驟二：(1)對P6、P9墩臨時支座、臨時墩進行復(fù)測，放出主橋邊跨1#～2#節(jié)間下弦節(jié)點坐標及軸線；(2)用1 000 t·m塔吊安裝邊跨1#～2#節(jié)間及分配梁。

步驟三：在1#～2#節(jié)間上弦安裝調(diào)試拱上爬行吊機，并進行各項試驗，確保各項參數(shù)滿足吊機工作條件。

步驟四：(1)用1 000 t·m塔吊安裝邊跨1#、2#臨時節(jié)間；(2)用拱上爬行吊機懸臂安裝邊跨3#～5#節(jié)間，完成NL2、SL2臨時墩墩頂抄平和支墊。

步驟五：(1)在兩岸NL3、SL3臨時墩上安裝鋼桁縱橫移裝置、限位裝置；(2)在懸臂安裝邊跨6#～9#節(jié)間，并進行實時監(jiān)控，計算邊跨配重，用塔吊安裝配重塊，配重量約為57.3 t，對NL3、SL3臨時墩進行測量，并對墩頂進行抄平和支墊；(3)用1 000 t·m塔吊再次調(diào)試拱上吊機。

步驟六：(1)懸臂安裝邊跨10#～13#節(jié)間，并安裝邊跨配重，配重為235.9 t，完成P7、P8主墩墩頂調(diào)節(jié)及限位裝置，在P7、P8墩安裝中支座和E15節(jié)點，支座與節(jié)點進行連接；(2)調(diào)節(jié)裝置就位中支座和E15節(jié)點，安裝E14、E15下弦桿。

步驟七：(1)按先立面、再下平面、最后上平面的順序安裝14#節(jié)間的其他桿件；(2)繼續(xù)安裝至E19節(jié)點，利用NL3、SL3臨時墩及主墩頂布置調(diào)整桁梁位置以精確定位；(3)完成P7、P8墩支座底板壓漿。

步驟八：(1)進行第一次航道轉(zhuǎn)換，主航道基本位于跨中，航道寬度為180 m；(2)懸臂安裝中跨鋼桁至27#節(jié)間后，暫停鋼桁架設(shè)，在中支點正上方安裝扣塔；(3)扣塔規(guī)整安裝至一半高度時，安裝臨時扣索；(4)監(jiān)測扣索索力，對邊跨進行配重，調(diào)節(jié)后錨力，使鋼桁拱標高符合設(shè)計及監(jiān)控要求。

步驟九：安裝1#扣索，并初張拉，張拉力為扣索937.9 t、背索1 095.2 t。

步驟十：(1)進行第二次航道轉(zhuǎn)換，主航道基本位于跨中，航道寬度為120 m；(2)繼續(xù)架設(shè)南面中跨鋼桁至33#節(jié)間，(3)在這一過程中同步增加邊跨配重和后錨力，確保鋼桁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)>1.3。

步驟十一：(1)進行第三次航道轉(zhuǎn)換，主航道偏向南岸中跨已安裝節(jié)間的下方，航道寬度為120 m；(2)安裝南岸2#扣索，并初張拉，張拉力為扣索1 107.5 t、背索1 301.8 t。

步驟十二：(1)繼續(xù)安裝北面中跨鋼桁至35#節(jié)間，南面中跨鋼桁到36#節(jié)間；(2)根據(jù)設(shè)計、監(jiān)控、氣象信息等選擇低溫無風的天氣條件，調(diào)整合龍段誤差。

步驟十三：觀察環(huán)境溫度變化，總結(jié)鋼桁因溫度產(chǎn)生的變形規(guī)律，利用臨時鉸等輔助措施，完成桁拱上下弦桿中跨合龍。

步驟十四：調(diào)節(jié)配重塊和后錨力，將邊支點預(yù)降值抬高1/4，調(diào)整中跨跨徑，安裝1/2的臨時系桿，調(diào)整索長和索力并錨固。

步驟十五：(1)安裝剩余1/2的臨時系桿，調(diào)整索長和索力后錨固；(2)將邊支點調(diào)整到低于設(shè)計高程1.2 m的高度，拆除斜拉索扣掛系統(tǒng)和配重。

步驟十六：(1)用爬行吊機安裝中跨系桿至跨中；(2)安裝體外系桿預(yù)應(yīng)力索，進行初張拉，準備鋼結(jié)構(gòu)系桿合龍。

步驟十七：(1)調(diào)整臨時系桿索力至4 566.1 t；(2)利用環(huán)境溫度引起的鋼結(jié)構(gòu)系桿位移變化及在合龍段施加張拉力實現(xiàn)上下系桿合龍，拆除臨時系桿；(3)爬行吊機緩慢退至21#節(jié)間并鎖定。

步驟十八：(1)安裝橋面板；(2)進行橋面系和附屬結(jié)構(gòu)施工，根據(jù)設(shè)計及監(jiān)控要求調(diào)整系桿體外預(yù)應(yīng)力；(3)進行成橋荷載試驗，準備交工驗收。

主橋墩及臨時墩標號如圖4所示。橋墩及扣索應(yīng)力分布如圖5所示。

圖4 主橋墩及臨時墩示意圖

圖5 橋墩及扣索應(yīng)力分布圖

4.3 主要工作要點

4.3.1 墩頂布置

(1)主橋上部鋼桁架梁懸臂安裝期間，采取在交界墩壓載配重的方式平衡懸臂端傾覆力矩[2]，中跨施工時邊支點提供的平衡力最大為3 200 t，計劃壓載+錨載達4 200 t，保證1.3倍的安全系數(shù)。

(2)為滿足鋼桁架梁位移調(diào)整需要，主墩頂?shù)恼{(diào)節(jié)系統(tǒng)、限位系統(tǒng)是本橋的關(guān)鍵點之一，需要布置水平、豎向千斤頂，安全可靠的調(diào)節(jié)對保證鋼桁線形至關(guān)重要。

(3)為滿足鋼桁架縱橫移需求，在NL3、SL3臨時墩墩頂布置控制系統(tǒng)及限位裝置。

4.3.2 首節(jié)桁梁安裝

首節(jié)安裝前應(yīng)先安裝大噸位塔吊，搭設(shè)膺架作為安裝邊跨1#、2#桁節(jié)的起重設(shè)備和就位支承平臺。

4.3.3 拱上爬行吊機

用塔吊將拱上爬行吊機安裝在1#、2#桁節(jié)形成的平臺上，并進行相關(guān)試驗，經(jīng)有資質(zhì)的部門檢驗合格后方能投入使用。拱上爬行吊機操作必須經(jīng)過嚴格的培訓考試，制定嚴謹?shù)牟僮饕?guī)程，設(shè)置專門的技術(shù)人員指揮作業(yè)。

4.3.4 配重區(qū)

在邊跨安裝兩個臨時桁節(jié)，與1#、2#桁節(jié)一起作為壓載配重區(qū)[3]，分為上下兩層進行壓重，加重最大達到4 400 t。2 200 t壓重布置在上層，分布區(qū)域長48.8 m，每延米壓重45 t，2 200 t壓重布置在下層。中跨桁拱安裝過程中，根據(jù)需要分期進行壓重。

4.3.5 桿件安裝

(1)鋼桁架拱肋應(yīng)按圖紙順序安裝，鋼桁架拱肋的拼裝拱度曲線應(yīng)滿足設(shè)計及監(jiān)控要求，除起始兩個節(jié)間，其余主桁構(gòu)件均應(yīng)在自由懸臂狀態(tài)下拼裝。

(2)鋼桁拱肋拼裝應(yīng)按照從下至上、盡快形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原則進行：立面→下平面→上平面。

(3)鋼桁架拱肋桿件拼裝時，為保證拼裝拱度，對拼接頭應(yīng)按設(shè)計要求上足沖釘、工作螺栓和高栓，擰緊后才能松鉤。

(4)鋼桁架拱肋進行橫移調(diào)整之前，螺栓應(yīng)終擰完畢，以防鋼桁拱肋受橫向水平力的影響，使軸線發(fā)生曲折[4]。

(5)應(yīng)制訂詳細可靠的高強螺栓施擰方案，并進行工藝評定和工藝試驗。按評定標準要求的頻率和數(shù)量對每批高強螺栓進場時的扭矩系數(shù)進行復(fù)驗，確保不出現(xiàn)欠擰和超擰現(xiàn)象。

4.3.6 斜拉扣掛系統(tǒng)

(1)在主墩橋頭堡位置上下游各安裝一臺塔吊作為扣塔安裝起重設(shè)備。

(2)扣塔在鋼桁架拱肋桿件安裝到E20節(jié)點后開始安裝，安裝扣塔期間鋼桁架拱肋桿件停止安裝。

(3)扣塔搭設(shè)過程設(shè)置二道臨時風纜。

4.3.7 中跨合龍

(1)合龍安裝順序為：下弦桿與北E35節(jié)點連接→斜桿與北E35節(jié)點連接→等待溫度變化，觀察孔位移動，精確對位下弦和斜桿E36節(jié)點栓孔→上弦合龍下拉板→上弦合龍桿件與北A35節(jié)點連接→安裝上弦合龍上拉板→安裝千斤頂→內(nèi)側(cè)連接板調(diào)整到位→千斤頂微調(diào)平面誤差→安裝上弦合龍臨時鉸→解除P8、P9墩支座臨時固定措施使支座滑動→等溫度變化精確對位A36節(jié)點栓孔→精確對位下弦和斜桿E36節(jié)點栓孔。

(2)以上每個工序打70%沖釘和30%工作螺栓，并擰緊。

(3)安裝平聯(lián)桿件。

(4)將全部的沖釘置換成高強螺栓，進行終擰，完成桁拱中跨合龍[5]。

4.3.8 臨時系桿安裝

(1)桁拱合龍后，用φ15.24 mm平行鋼鉸線在E17節(jié)點處安裝臨時系桿。每桁設(shè)計控制拉力為4 425.2 t，初張拉力為2 149.1 t。

(2)邊支點調(diào)至設(shè)計的預(yù)降值高程→安裝臨時系桿→完成初張拉→拆除斜拉扣掛系統(tǒng)→臨時系桿的拉力調(diào)為3 143.3 t。

(3)施工時對臨時系桿的索力進行監(jiān)測，并根據(jù)需要對索力進行調(diào)整[6]。

5 結(jié)語

對于大跨度的鋼桁架拱橋，可靠的拱上爬行吊機懸臂拼裝施工方法，既經(jīng)濟又安全，通過邊跨配重和邊支點后錨力來平衡主跨鋼拱肋，在中支點上方搭設(shè)扣塔并設(shè)兩組扣掛來調(diào)節(jié)平衡，從而節(jié)約了大量的鋼鉸線。

相反，纜索吊裝的吊重能力受到高度、跨度和扣索張拉施工工序的限制，超過700 m的纜索吊裝成本偏高，且施工過程中的安全因素極為復(fù)雜。

朝天門長江大橋的施工經(jīng)驗表明，拱上爬行吊機懸臂拼裝施工方法具有較好的經(jīng)濟和社會效益。本橋采用的“先拱后系桿”施工順序，為主拱合龍贏得了寶貴時間，在突然發(fā)生地震的情況下，絲毫未受到影響。該方法可以滿足“先拱后梁(系桿)”“拱梁(系桿)同步”兩大施工方式，為大跨度拱橋的修建提供了安全高效的選擇，為今后類似橋梁施工增加了有力的比選方案。