大跨度鋼管混凝土提籃拱橋拱肋關鍵施工技術

摘要：文章以某中承式鋼管混凝土提籃拱橋工程為例，介紹了該橋纜索系統布置方案與鋼管拱肋施工關鍵技術，并采用“過程最優，結果可控”扣索一次張拉索力優化算法對拱肋安裝進行控制計算分析，實踐結果表明該方法能實現大橋高質量控制施工。

關鍵詞：提籃拱橋；纜索系統；拱肋；扣索一次張拉；施工控制

0引言

國內交通基礎設施建設推動了鋼管混凝土拱橋的快速發展，據不完全統計，國內在建和已建的鋼管混凝土拱橋多達400余座［1］。提籃式拱橋因其造型優美、結構可靠、經濟合理的優點，近年來受到設計師和廣大民眾的青睞。相較于平行拱，提籃式拱橋改變了拱形結構的受力特征，極大地提高了面外穩定性，同時也對提籃拱橋的建設提出了更高的要求。然而現有文獻［2-5］的研究大多針對提籃拱橋結構設計以及受力方面，現場施工工藝及技術方面參考資料較少。鑒于此，本文依托某主跨為360 m的鋼管混凝土拱橋，詳細介紹了大橋建設過程中涉及到的一些關鍵技術，以供同類型橋梁施工借鑒。

1 工程概況

某橋采用計算跨徑為340 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，矢跨比f/l=1/4.533，拱軸系數m=1.55，拱軸線采用懸鏈線，拱肋為鋼管混凝土桁架結構，共兩榀，兩拱肋在豎直面內沿橋軸線內傾10°，形成提籃式。大橋單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱腳截面徑向高12 m，拱頂截面徑向高7 m，主拱肋通過上、下弦兩根1 200 mm的主弦管（t=24～32 mm）連接兩根720 mm的綴管和兩根610 mm豎向腹桿構成矩形截面。管內混凝土采用C60自密實補償收縮混凝土，主弦管鋼材采用Q345qC鋼材。

2 纜索系統布置

纜索吊裝系統采用“吊扣合一”裝配式重型鋼管塔架結構，設計吊重為160 t，跨徑布置為342 m+520.5 m+350.2 m。塔架豎向主承重管采用610 mm×14 mm鋼管，立面斜桿采用219 mm×6 mm鋼管，水平橫桿和斜桿采用168 mm×5 mm鋼管，橫聯采用168 mm×6.5 mm水平鋼管和斜撐鋼管。塔架縱向、豎向設計模數為4 m，橫向為4.9 m，標準桿件為8 m。

采用兩套獨立主索道，其工作可根據吊裝對象不同靈活組合調整，適用于全橋不同階段的安裝施工：將兩套主索合起來成為一組，并移動到塔架上游或下游可完成拱肋節段吊裝；移動到塔架中間處可完成橫撐吊裝。

3 鋼管拱肋施工關鍵技術

3.1 鋼管拱肋預拼裝技術

大橋拱肋采用筒節制造、單元件制造、弦管片裝分段制造、半拱臥式耦合匹配制作工藝方案，拱肋節段之間采用內置法蘭盤連接進行預拼裝。所有拱肋零件和單元件均在廠房內制造，盡量減少日照和溫度對結構的影響。

現場對拱肋加工線形按1∶1放樣，定位胎架，并定期檢查和復測。拱肋制造焊接時通過優化焊接順序，加放焊接收縮補償量、余量、反變形的方法對焊接變形進行控制。預拼裝施工測量過程中盡量減少溫度對測量精度的影響，避開高溫時間段，必要時根據熱膨脹系數對測量數據進行修正。大橋拱肋零件下料精度均控制在＜1 mm，拱肋節段預拼裝精度控制在＜2 mm。

3.2 鋼管拱肋運輸技術

大橋鋼構廠與拱肋吊裝場距離較遠，且和引橋范圍結構物沖突，施工場地條件受限。為解決拱肋預制鋼構件運輸和安裝問題，現場采用一種雙層平車縱橫向運輸軌道系統，橫向運輸軌道中心間距為16.3 m，縱向運輸軌道中心間距為9.5 m，橫向軌道比縱向軌道高1.3 m。利用鋼構廠龍門吊起吊預制節段并平穩落至橫移軌道①平車上，手拉葫蘆和鋼絲繩固定，啟動平車，整體橫向運輸至橫移軌道①和縱向運輸軌道②的交界處，斷開連接軌道；縱向平車將連接軌道、橫向平車以及拱肋節段整體沿軌道②縱向運輸，運輸至橫移軌道③和軌道②交界處后連接軌道，橫向平車繼續將拱肋節段橫向運輸至起吊位置準備起吊。相對于傳統的運輸方法，在運輸過程不需要對拱肋預制構件再用炮車或大型汽車吊等設備進行多次轉移或吊運，僅需在縱橫向交接位置斷開和連接軌道，即可實現“U型”“L型”“Z型”等復雜地形和施工條件下的不規則路徑運輸，且運輸過程平穩安全。拱肋運輸軌道布置如下頁圖1所示。

3.3 鋼管拱肋節段安裝關鍵技術

全橋拱肋安裝遵循“上、下游交替對稱”的原則，兩岸基本均衡，及時安裝橫撐，單側懸臂≤1段。拱肋在起吊場翻身完成后，將拱肋起吊并沿著吊裝路線縱向運輸至拱肋擬安裝位置，以已安裝的拱肋作為軸線的調節基準，安裝手拉葫蘆，兩端分別固定在已安裝和待安裝的拱肋接頭位置形成對拉，調整法蘭盤相對位置，安裝外側法蘭盤螺栓，完成與前一段拱肋固定。通過拱肋纜風調整拱肋接頭內側法蘭開口閉合后，再安裝內側法蘭盤螺栓，完成單節段拱肋就位。區別于平行拱，提籃拱永久“X”撐起吊至拱肋節段接頭位置下方后，根據提籃拱拱肋間距拱腳往拱頂逐漸變窄的特點，將“X”撐從兩岸往跨中方向平移至設計位置進行就位安裝。

按拱肋安裝順序至合龍段后，對拱圈進行≥24 h的溫度影響觀測，繪制一個反映升、降溫過程的“溫度-懸臂端點撓度”關系曲線，在此基礎上進行溫度修正，并選擇一個溫度效應對拱圈線形影響最小的時間段通過碼板實現瞬時合龍，隨后再立即焊接合龍段包板。

4 纜索吊裝控制計算及結果分析

4.1 計算方法

扣索力計算是鋼管混凝土拱橋采用纜索吊裝懸臂拼裝法施工的關鍵環節，張拉力準確與否，決定了拱肋成拱線形的好壞。目前常見的扣索力計算方法主要有力矩平衡法［6］、零位移法［7］、影響矩陣法［8］等。力矩平衡法的實質是視拱肋接頭為鉸接，扣索力則可由扣索與拱肋形成的靜定結構通過力矩平衡條件求得；零位移法的求解思路主要為使每個拱肋節段安裝時其控制點的標高處于設計位置，即當前控制點預抬值為零。然而從現有實踐結果來看，上述兩種傳統方法的應用效果較差，對于力矩平衡法而言，拱肋接頭為鉸接的假設條件不滿足實際拱肋接頭構造；對于零位移法而言，忽略了拱肋后續安裝對當前節段安裝的影響，其索力計算結果較為粗糙，僅可作為初步估算扣索數量使用。影響矩陣法在鋼管混凝土拱橋施工控制中有較多應用，該方法的關鍵在于建立受調向量與目標向量的一組求解關系，從而使拱肋松索線形逼近目標線形。

秦大燕等［9］為克服傳統扣索力計算方法效率低，過程繁瑣、均勻性較差等問題，基于影響矩陣原理和最優化理論提出了“過程最優，結果可控”扣索一次張拉索力算法。本橋采用該方法進行纜索吊裝施工控制計算，其詳細計算流程如圖2所示。

4.2 計算模型

采用Midas Civil軟件建立大橋施工仿真模型，其中拱肋主弦管、腹桿、綴管采用空間梁單元模擬，扣索采用僅受拉桁架單元模擬，拱腳三角板采用薄板單元模擬，拱腳斜腹桿內灌混凝土采用“雙單元”法模擬，模型自重根據節段實際吊裝重量進行修正，其余臨時荷載如機具、掛籃、材料等換算成單元荷載或節點荷載體現。大橋共計離散節點數1 885個，單元數3 102個，其有限元仿真模型如圖3所示。

4.3 實測結果分析

大橋纜索吊裝施工控制遵循“線形控制為主，索力控制為輔”的原則。由于大橋拱肋結構對稱布置，鑒于篇幅有限，以下僅給出北岸扣索實際張拉值與理論值，如圖4所示。

由圖4可知，隨著拱肋吊裝的進行，各扣索力基本呈均勻遞增的趨勢，扣索力變化平穩，無較大突變。從實測數據結果來看，扣索實際張拉值與理論值基本控制在＜10%，可見“過程最優，結果可控”扣索一次張拉計算方法扣索力計算精度較高。

拱肋松索成拱的過程是由多點懸臂支撐體系向拱式體系轉化的過程，松索成拱后拱圈線形的好壞，也是鋼管混凝土拱橋施工質量控制最直觀的體現。大橋在整個施工過程中的線形偏差如圖5所示。

由圖5可知，在整個拱肋施工過程中，拱肋線形控制良好，軸線偏差和豎向高差基本控制在＜15 mm。大橋松索成拱后，與裸拱自重作用下的目標線形最大豎向偏差為12 mm，橫向偏差為19 mm，均滿足《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2017）［10］相應要求，實現了大橋高質量控制施工。

5 結語

本文以某主跨360 m鋼管混凝土提籃拱橋為依托工程，詳細介紹了大橋纜索系統布置以及拱肋施工過程中采用的一些關鍵施工技術，采用“過程最優，結果可控”扣索一次張拉索力優化算法對大橋進行了施工控制計算。實踐結果表明，該方法計算精度較高，能實現大橋高質量控制施工，可供類似工程參考。

參考文獻：

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［3］曹正洲，馮玉濤，沈逢俊.大跨徑鋼箱提籃拱橋空間穩定性分析［J］.橋梁建設，2011（1）：43-47.

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［9］秦大燕，鄭皆連，杜海龍，等.斜拉扣掛1次張拉扣索索力優化計算方法及應用［J］.中國鐵道科學，2020，41（6）：52-60.

［10］JTG F80/1-2017，公路工程質量檢驗評定標準［S］.

作者簡介：嚴勝杰（1987—），工程師，碩士，主要從事公路工程施工技術管理工作。