中承式鋼箱拱橋纜索吊裝關鍵施工技術研究

陳列勇，陳玉相，閆小軍，張 紅，王成磊，王 濤

（中國中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

拱橋是一種歷史悠久的橋型，具有眾多優(yōu)勢，成為不斷發(fā)展的橋梁形式［1］，而纜索吊裝施工技術作為一種施工方便、起吊重量大，技術先進的吊裝技術被廣泛應用于拱橋建設之中［2，3］。目前，大跨度拱橋一般采用纜索吊裝、斜拉扣掛的方法進行施工［4］，施工難度大，且在施工過程中橋梁存在多次體系轉換，其受力結構和受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化［5］。通過多次專家論證，不斷優(yōu)化設計方案，總結出了一套完整的鋼拱橋纜索吊裝施工技術［6］。拱橋的斜拉扣掛纜索吊裝施工中纜扣一體化已成為發(fā)展趨勢［7］，因此，有必要對纜索吊裝的關鍵施工技術進行研究，確保拱肋節(jié)段的安全吊裝和線形控制滿足施工要求。

1 工程背景

1.1 項目概況

新灘溪特大橋中心里程 K48+465，位于云南省昭通市綏江縣新灘溪道路修復工程，跨越向家壩水電站庫區(qū)新灘溪淹沒區(qū)，是此段路線的重要控制性工程。新灘溪特大橋橋跨布置為 1～170 m 中承式鋼箱拱橋，橋面系采用格構式組合梁，橋梁全長 179.3 m（伸縮縫中心距，不含橋臺），橋面寬為 10 m。

新灘溪大橋采用的無支架纜索吊系統(tǒng)為單索塔不對稱式布置，即只在水富岸橋臺處設置索塔，綏江岸直接錨固在隧道洞頂上方的山體上。整個纜索吊主索設計跨徑為 120 m+260 m，全橋共設計兩組承重索，兩組工作索。每組主索分別由 3 根φ56 mm（6×37+1）鋼絲繩組成，布置拱肋正上方，每組纜索上設計 2 個吊點，吊點間距 6 m，兩組主索橫向間距 12.6 m，吊重最大 29.5 t；工作索布置在兩拱肋上方靠內側位置，保證工作吊籃能夠上下起吊，工作索由 1 根φ56 mm（6×37+1）鋼絲繩組成，單點起吊，吊重最大 5 t。纜索在施工中的最大荷載垂度設計為 18.7 m，垂跨比為 1/14。水富岸索塔采用扣索一體塔，扣塔和索塔鉸接，塔高 61.8 m，索塔位于水富岸橋臺拱座基礎上。綏江岸的主索錨碇位置標高與水富岸索塔頂設置在同一高度。整個纜索吊系統(tǒng)立面布置如圖1 所示。

1.2 建設條件

橋址區(qū)屬河流侵蝕堆積地貌，地勢起伏較大，上覆第四系覆蓋層厚度變化大，下伏巖體為灰?guī)r、泥質粉砂巖，受地質構造影響，風化差異明顯、巖體破碎，巖層軟硬不均，次厚度分布不穩(wěn)定，綜合判定屬不均勻地基。路線區(qū)地震基本烈度值為Ⅶ度、地震動峰值加速度值為 0.15g，分組為第二組，地震動反應譜特征周期為0.40 s。橋位區(qū)地表覆蓋層第四系沖洪積碎石、塊石層的厚度大，下伏基巖為灰?guī)r、粉砂質泥巖。

1.3 項目難點

新灘溪大橋鋼結構安裝數(shù)量大，主拱肋單節(jié)段重，安全風險高。新灘溪特大橋橋跨布置為 1～170 m 中承式鋼箱拱橋，橋梁拱圈為鋼結構，兩個拱圈和橫撐共重 1 114.9 t，橋梁跨越新灘溪河流，采用纜索吊安裝橋梁拱圈及主梁，主梁單節(jié)段重達 29.5 t，安全風險高。

新灘溪大橋采用大跨度鋼結構跨越新灘溪河流，鋼結構采用纜索吊機及扣掛法施工拱橋，施工難度大，安全風險高，橋梁拱圈安裝精度及線形控制要求高。

2 拱肋吊裝總體施工方案

2.1 拱箱節(jié)段加工

根據(jù)本橋結構特點，綜合考慮各種施工因素后，加工思路如下，按照設計拱肋分段結構尺寸，在工廠內支架進行下料加工拱箱節(jié)段，并對拱箱節(jié)段進行噴涂。加工完成后直接在工廠內進行試拼裝，待拱肋尺寸及接口確認無誤后對其再進行編號，加工后的拱箱節(jié)段如圖2 所示。

圖2 拱箱加工、吊裝節(jié)段圖

鋼結構構件場內加工工序如下，鋼廠內定制鋼板運輸至加工廠→鋼板預處理→零件放樣及下料→零件加工→拼板→單元件制作→分段制作→預拼裝→節(jié)段涂裝。

鋼箱拱肋截面積設計 2 m×3 m，最長的 1 號節(jié)段 10.5 m，最短 0# 節(jié)段的 2.7 m，合龍段長度 4 m。加工時考慮安裝預留拱肋沉降量，拱頂最大預拱度σ=7 cm，拱底預拱度為 0 cm，計入預拱度后的拱軸線為設計懸鏈線。

2.2 拱箱節(jié)段運輸

拱箱節(jié)段運輸如圖3 所示，K47+420 右側原浮橋橋臺做為碼頭，浮箱做為運輸設施，浮箱長寬為 36 m×18 m。浮箱四周固定氣囊，水位變化時，通過氣囊的變化，升降浮箱。保持浮箱頂面與岸邊高度一致。碼頭地面和浮箱頂面均設置軌道，軌道設置保持寬度和高度上對接。拱箱上船采用軌道平車運出。在岸上用兩臺 30 t 汽車吊將拱箱放上平車，通過軌道運輸上浮箱。浮箱運輸拱箱或格構梁至橋下方。拱肋節(jié)段均采用立位吊裝，可以采用側向拉纜風和固定支架等措施穩(wěn)定拱肋節(jié)段。

圖3 拱箱節(jié)段運輸

2.3 拱箱節(jié)段安裝

鋼箱拱肋節(jié)段安裝采用斜拉扣掛、無支架纜索吊裝方法。單組纜索設計額定吊重為 29.5 t。順橋向單幅拱肋共計 23 節(jié)段，左右兩幅拱肋對稱布置，中間設 5 道橫撐，共計有 51 個節(jié)段均采用纜索吊施工。

如圖4 所示，全橋拱肋吊裝單個拱肋共計 23 個吊裝節(jié)段（包含合龍段）。拱肋總體吊裝順序為從拱腳至拱頂，對稱加載。利用 4 套跑車系統(tǒng)單肋單節(jié)段吊裝，待左、右幅同一節(jié)段安裝就位后，及時連接臨時橫撐形成穩(wěn)定結構，并采用扣索和纜風進行固定。安裝時左、右幅拱肋同步進行，兩岸對稱安裝，同步到達合龍段。具體安裝方法如下。

圖4 拱肋布置示意圖（單位：m）

1）單個拱肋共計 23 個吊裝節(jié)段，中間為合攏段，橫橋向設左右兩肋，全橋兩條拱肋分為 46 個節(jié)段。

2）拱肋節(jié)段安裝采用兩岸對稱懸拼，共設有 10 個扣段。由于箱型拱較重，因此采用單索道單片吊裝的施工方法，待拱橋兩端拱肋就位后，連接相應風撐，即完成一組拱肋節(jié)段的吊裝。

3）拱肋采用纜索吊機兩套主索吊裝系統(tǒng)進行吊裝。吊裝主拱肋時，由二套主索吊裝系統(tǒng)二個吊點抬吊，肋間橫撐由兩側兩個吊點抬吊。

4）兩岸分別自拱座節(jié)段開始對稱安裝，吊裝全過程中要全方位實施監(jiān)控。鋼箱拱肋合攏時，需調整拱肋線型，待標高符合設計要求后，進行各段間接頭的焊接，然后扣索逐級部分松扣，直至完成全部主拱肋節(jié)段的吊裝。

3 纜索吊裝施工技術

3.1 拱箱吊裝

拱箱吊裝技術是大跨度拱橋施工最重要的工序［8］，每一節(jié)拱箱均從綏江岸橋臺起吊，由纜索吊起重小車提升，緩慢駛向安裝部位，吊裝過程由纜索吊專業(yè)人員進行操作。拱箱節(jié)段吊裝如圖5 和圖6 所示，保證兩起吊小車起重索及牽引索的同步進行。在靠近水富岸拱腳位置吊裝時，增加輔助牽引索于水富岸邊對拱肋進行拖拉，致使拱肋到達安裝位置。

圖5 第一節(jié)段拱箱吊裝示意圖

圖6 中間節(jié)段拱箱吊裝示意圖

3.2 拱箱連接

拱箱節(jié)段在起重小車的吊運下，移動至節(jié)段安裝位置上方，然后緩慢降落至安裝位置，采用導鏈拽拉等措施將拱箱節(jié)段與已經(jīng)安裝好的節(jié)段進行對中，并調整拱箱軸線方向，待前后兩節(jié)拱箱接頭基本吻合后，通過纜索吊系統(tǒng)將拱箱節(jié)段就位，與上一節(jié)段拱箱采用法蘭臨時連接，法蘭臨時連接如圖7 所示，先用 40 Cr 棒粗定位，調整標高后采用 M24 高強度螺栓精確定位。拱箱連接處通過改變鋼墊塊厚度及 40Cr 棒與 M24 連接螺栓的緊固間距調整拱軸線線形。待線形調整完畢后，先將拱圈周邊焊接 6～8 道（＞75 % 板厚），不滿焊，然后去除臨時連接，進行周邊滿焊。

圖7 臨時連接法蘭布置示意圖

3.3 拱箱節(jié)段扣索的安裝及張拉

通過纜索吊系統(tǒng)將拱箱節(jié)段就位，與上節(jié)段拱箱采用法蘭臨時連接后。開始安裝扣索和纜風。每一節(jié)拱肋在同一個截面兩側設置兩束扣索，扣點布設在拱箱兩側腹板外側。

扣索施工如圖8 所示，每組扣索在橋梁兩端同步張拉和調整索力，并在相應的地方設置操作平臺，張拉好正式扣索后，對拱肋高程按設計線型進行調整，按分級和對稱的原則對正式扣索和臨時扣索進行放松，以標高控制為主，同時兼顧索力。扣索的張拉和放松使用多臺千斤頂，逐步地將力傳給正式扣索，直至松去臨時扣索。

圖8 扣索施工實物照片

3.4 拱箱合攏

檢查拱肋線型，合攏長度是否符合施工要求，在設計規(guī)定的合攏溫度下安裝合攏段，實施強迫合龍，拱箱合攏如圖9 所示。

圖9 合龍段拱箱吊裝示意圖

拱肋合攏時的注意事項如下。

1）鋼拱肋的變形受溫度的影響較大，不同施工時間對拱肋的伸縮量有較大影響。因此，拱肋合攏溫度宜控制在 15～20 ℃。

2）拱肋線形滿足設計要求后，在傍晚測量接頭部位拱肋之間的間距，按設計要求進行施焊固定，并按要求擰緊固定螺栓。

3）當合攏溫度不符合設計規(guī)定值時，應連續(xù)監(jiān)測合攏段前五天的溫度，取一平均值，報設計單位，設計單位根據(jù)氣溫資料重新計算，提出合攏時對接修正值。

4）為保證拱肋能夠順利合攏，在加工拱肋中間節(jié)段時，按設計要求設置嵌補段。合攏段就位后，及時在合攏段與相鄰段的空位處搭焊型鋼定位，以免拱肋受溫度影響而產(chǎn)生較大變形錯位，最后進行焊接合攏。

3.5 扣索卸載

根據(jù)設計要求，本工程扣掛系統(tǒng)在拱肋合攏后進行松索，完成體系的轉換，使其與設計值相吻合［9］。

松扣程序從跨中最后一組扣索開始，兩岸各組的扣索依次分級放松，扣索拉力分 5 級，每級放 1/5。

各扣索先松一級，暫停 15～20 min 后，測試拱肋的應力、標高、立面及平面位置，經(jīng)施工各單位確認后，再進行第二級的放松循環(huán)。最后放松整個扣索，并拆除扣索。

4 結語

纜索吊裝施工技術因跨越能力強、適應性強、施工方便等眾多優(yōu)點成為大跨度拱橋最常用的施工方法，但隨著纜索吊裝施工方法的應用仍面臨拱肋拼裝線型要求高、環(huán)境復雜等難題。本項目針對目前跨水庫山區(qū)鋼拱橋開展了大跨度纜索吊裝的施工技術研究，歸納總結了拱橋拱肋吊裝技術和纜索吊裝施工技術，極大地推動了行業(yè)技術水平的進步，為特殊建設條件下大跨徑橋梁方案選擇和設計提供了新的思考方向，為今后建設類似工程提供了參考。Q